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La composizione di funzioni

Quand’è che la composizione di funzioni è commutativa? Dalla ricerca di un esempio alla scoperta di sottoinsiemi speciali: un laboratorio di “Datemi un esempio”.

Dell’importanza degli esempi nell’insegnamento della matematica abbiamo già parlato in altri articoli e in Dagli esempi s’impara abbiamo anche fornito una lista di domande a disposizione dei docenti per le loro attività didattiche. Tra queste ve ne sono un certo numero che si prestano bene a mettere a fuoco la conoscenza delle funzioni  e possono rivelarsi buoni esercizi di riscaldamento ( nel senso di Knuth) in vista della prova scritta di giugno 2026 dell’esame di maturità. Ad esempio:

Datemi due funzioni diverse \( f(x) \), \( g(x) \) tali che
\[
f(g(x)) = g(f(x)).
\]

La questione che tocca è centrale: la composizione di funzioni non è commutativa in generale.

\[
f \circ g \neq g \circ f.
\]

Dunque trovare un esempio equivale a cercare quando e perché due funzioni commutano. Se prendiamo, ad esempio, le due funzioni

\[
f(x)=x^2, \qquad g(x)=x+1,
\]

otteniamo:

\[
f(g(x))=(x+1)^2,
\]

\[
g(f(x))=x^2+1.
\]

Le due espressioni non coincidono e ciò conferma che la commutatività non è la regola.

Consideriamo però due funzioni lineari:

\[
f(x)=x+\alpha, \qquad g(x)=x+\beta.
\]

Allora

\[
f(g(x)) = x+\alpha+\beta,
\]

\[
g(f(x)) = x+\beta+\alpha.
\]

Poiché l’addizione è commutativa, si ha

\[
f(g(x)) = g(f(x)).
\]

L’esempio è corretto ed è coerente con il loro significato geometrico: si tratta di traslazioni, e tutte le traslazioni commutano tra loro. È indifferente quale fare prima, l'una o l'altra.

Le traslazioni sono particolari trasformazioni affini. Consideriamo il caso generale. Siano:

\[
f(x)=ax+b, \qquad g(x)=cx+d.
\]

Calcoliamo le composizioni:

\[
f(g(x)) = acx + ad + b,
\]

\[
g(f(x)) = acx + cb + d.
\]

Perché coincidano per ogni \(x\), deve valere:

\[
ad + b = cb + d.
\]

Riorganizzando:

\[
(a-1)d = (c-1)b.
\]

Questa è la condizione generale di commutazione tra funzioni affini.

Scegliamo, ad esempio,

\[
a=2, \qquad c=3.
\]

La condizione diventa:

\[
(2-1)d = (3-1)b
\]

\[
d = 2b.
\]

Se \( b=1 \), otteniamo \( d=2 \).

\[
f(x)=2x+1,
\]

\[
g(x)=3x+2.
\]

Ovvero:

\[
f(g(x)) = 6x+5,
\]

\[
g(f(x)) = 6x+5.
\]

Possiamo ora passare a considerare altre famiglie di funzioni il cui "prodotto" (nel senso della composizione) è commutativo

a) Dilatazioni con centro nell’origine

\[
f(x)=ax, \qquad g(x)=cx.
\]

\[
f(g(x))=acx = g(f(x)).
\]

b) Potenze della stessa base

\[
f(x)=x^m, \qquad g(x)=x^n,
\]

\[
f(g(x)) = (x^n)^m = x^{mn},
\]

\[
g(f(x)) = (x^m)^n = x^{mn}.
\]

c) Una funzione e le sue iterate

\[
f(x)=h(x), \qquad g(x)=h(h(x)).
\]

\[
f(g(x)) = h(h(h(x))) = g(f(x)).
\]

Un’ultima osservazione

Nel corso dell’argomentazione ci siamo mossi in ambiti ben delimitati: prima le traslazioni, poi le trasformazioni affini, quindi alcune famiglie particolari di funzioni.

Non si deve pensare che la composizione sia “quasi” commutativa. Al contrario, la non commutatività è la norma: di esempi è facile darne.

\[
f(x)=\sin x, \qquad g(x)=e^x,
\]

\[
f(g(x))=\sin(e^x),
\]

\[
g(f(x))=e^{\sin x},
\]

che sono chiaramente diverse.

La commutatività emerge solo in classi particolari di trasformazioni. Individuarle significa riconoscere che, all’interno di un contesto generalmente non commutativo, esistono sottoinsiemi strutturalmente speciali. È proprio questa ricerca che trasforma un semplice “datemi un esempio” in un esercizio di autentica costruzione matematica.

Autore

  • Emilio Ambrisi

    Laureato in Matematica, è stato docente, dirigente scolastico e ispettore tecnico del Ministero dell’Istruzione. A partire dagli anni Ottanta ha partecipato alle tante commissioni ministeriali, tra cui quella dei “Quaranta” istituita dal ministro Franca Falcucci, incaricate della definizione dei programmi di insegnamento degli indirizzi sperimentali e, successivamente, delle Indicazioni Nazionali. Ha svolto numerosi incarichi ispettivi in Italia e all’estero e, dal 1997, ha curato la predisposizione delle prove ministeriali d’esame di maturità e di concorso. Dal 2008 al 2015 ha fatto parte del collegio di direzione della Struttura Tecnica del Ministero. Nel 1980/81 ha prestato servizio presso la Facoltà di Magistero di Roma (cattedra del prof. Mauro Laeng) incaricato di collaborare agli atti preparatori dell’indagine I.E.A., e per alcuni anni ha insegnato come professore a contratto presso le Università “Federico II” e “Vanvitelli” di Napoli. Dal 2009 al 2019 è stato Presidente nazionale della Mathesis e direttore del Periodico di Matematiche.

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