Proportionalität

Zwischen zwei veränderlichen Größen besteht Proportionalität, wenn sie immer in demselben Verhältnis zueinander stehen.

Grundlagen

Proportionale Größen sind verhältnisgleich; das heißt, bei den proportionalen Größen $a$ und $b$ ist die Verdopplung (Verdreifachung, Halbierung, …) der Größe $a$ stets mit einer Verdopplung (Verdreifachung, Halbierung, …) der Größe $b$ verbunden, oder allgemein gesagt: Die Größe $b$ geht aus der Größe $a$ durch Multiplikation mit einem immer gleichen Faktor hervor. Bei diesem Zusammenhang wird das Verhältnis $b:a$ Proportionalitätsfaktor oder Proportionalitätskonstante genannt.

Beispiele:

• Der Kreisumfang ist proportional dem Kreisdurchmesser; der Proportionalitätsfaktor ist die Kreiszahl $\pi$ = 3,14159…
• Bei einem Kauf ist die Mehrwertsteuer proportional dem Nettopreis; der Proportionalitätsfaktor ist der Mehrwertsteuersatz, beispielsweise 0,19 (= 19 %).
• Bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit ist die zurückgelegte Strecke proportional zur verstrichenen Zeit.

Proportionalität ist ein Spezialfall der Linearität. Für eine lineare Funktion mit zwei reellen Größen ist jeder Zusammenhang zwischen den Größen dann linear, wenn dessen Darstellung in einem kartesischen Koordinatensystem eine Gerade ist. Proportionalität bedeutet hierbei, dass diese Gerade durch den Nullpunkt (Koordinatenursprung) geht (Ursprungsgerade); der Proportionalitätsfaktor bestimmt deren Steigung. Gelegentlich wird die Proportionalität auch als direkte Proportionalität bezeichnet.

Im Gegensatz zu dieser steht die indirekte, inverse, umgekehrte oder reziproke Proportionalität, bei der eine Größe proportional dem Kehrwert der anderen Größe ist. Statt des Verhältnisses ist hierbei also das Produkt der beiden Größen konstant. Der Graph ist eine Hyperbel und geht nicht durch den Nullpunkt.

Der Kalkül des Dreisatzes setzt eine proportionale Funktion voraus.

Mathematische Definition

Historische Definition

Euklid, Elemente Buch V, Definitionen 3–6.

Definition 5 lautet:

„Man sagt, dass Größen in demselben Verhältnis stehen, die erste zur zweiten wie die dritte zur vierten, wenn bei beliebiger Vervielfachung die Gleichvielfachen der ersten und dritten den Gleichvielfachen der zweiten und vierten gegenüber, paarweise entsprechend genommen, entweder zugleich größer oder zugleich gleich oder zugleich kleiner sind.“

Definition 6:

„Und die dieses Verhältnis habenden Größen sollen in Proportion stehend heißen.“

Aktuelle Definition

Eine proportionale Funktion ist eine homogene lineare Zuordnung zwischen Argumenten $x$ und ihren Funktionswerten $y$:

$y=m\cdot x$

mit einem konstanten Proportionalitätsfaktor $m$. Dabei ist der Faktor $m=0$ nicht sinnvoll.

Da es bei Proportionalität gleichwertig ist, ob die Größe $y$ aus der Größe $x$ durch Multiplikation mit einem immer gleichen Faktor hervorgeht, oder umgekehrt $x$ aus $y$, gilt ferner

$x={\frac {1}{m}}\cdot y$ ;

dabei ist der Faktor $m=0$ unzulässig.

Zwei Variable, für die das Verhältnis zusammengehöriger Werte $x_{i}$ und $y_{i}$ konstant ist, heißen proportional zueinander

${\frac {y_{i}}{x_{i}}}=m$ .

Proportionalität liegt demnach genau dann vor, wenn dieses Verhältnis $m$ konstant ist; wenn es reell ist, kann es positiv oder negativ sein.

Weitere Beispiele

Dichte

Funktionsgraph für einen proportionalen Zusammenhang

Die Tabelle gibt die Masse verschiedener Volumina von Öl an:

Volumen $x$ in m3	Masse $y$ in t
1	0,8
3	2,4
7	5,6

Die drei Wertepaare sind im Bild (rechts) als Punkte markiert. Berechnet man den Quotienten $y/x$, Masse/Volumen, so erhält man stets denselben Wert 0,8 t/m³. Allgemein gibt der Quotient $y/x$ die Steigung der Geraden an und ist zugleich der Proportionalitätsfaktor der Zuordnung, hier mit der Bedeutung der Dichte des Öls. Auch der umgekehrte Quotient $x/y$ ist eine Proportionalitätskonstante, in diesem Fall mit der Bedeutung des spezifischen Volumens. Im Beispiel erhält man

Volumen/Masse = 1,25 m³/t

Dehnung

Wird an einem Draht mit einer Kraft $F$ gezogen, so ergibt sich bei elastischem Verhalten eine relative Längenänderung ${\tfrac {\Delta l}{l}}$

Formänderung eines Drahtes, wenn an ihm gezogen wird

$F=E\cdot A\cdot {\frac {\Delta l}{l}}$

mit der Querschnittsfläche $A$ und der Proportionalitätskonstanten $E$ (Elastizitätsmodul).

Zugleich ändert sich bei einem homogenen isotropen Material sein Durchmesser $D$ um $\Delta D$

${\frac {\Delta D}{D}}=-\nu \cdot {\frac {\Delta l}{l}}$

mit der Proportionalitätskonstanten $\nu$ (Poissonzahl).

Das Minuszeichen bedeutet: Bei einer Vergrößerung der Länge (positives $\Delta l$) verkleinert sich der Durchmesser (negatives $\Delta D$).

Schreibweise

∝

∼

Für „a proportional zu b“ verwendet man das Tilde-Zeichen ~:

$a\sim b$

Ebenfalls genormt ist die Schreibweise:

$a\propto b$

Das Zeichen $\propto$ leitet sich aus dem mittelalterlichen æ für lat. aequalis, dem Vorgänger des Gleichheitszeichens ab.

Zeichen	HTML	TeX	Unicode	ASCII
~	~ oder ~	\sim	U+007E	126
∼	∼ oder ∼		U+223C	–
∝	∝ oder ∝	\propto	U+221D	–

Verwandte Begriffe

Funktionsgraphen für einen überproportionalen (blau) und unterproportionalen (rot) Zusammenhang

Es wird von Überproportionalität zwischen zwei Größen gesprochen, wenn die eine sich immer stärker ändert als die andere. Entsprechend spricht man von Unterproportionalität bei einer systematisch schwächeren Änderung der anderen Größe. „Stärker“ und „schwächer“ bedeuten hierbei, wenn man es auf die Formulierung mit der Gleichung $y=mx^{a}$ mit einem Exponenten $a$ bezieht, dass bei normaler Proportionalität $a=1$, bei Überproportionalität $a>1$ und bei Unterproportionalität $0<a<1$ gilt.

Weblinks

Wikibooks: ${\begin{smallmatrix}{\mathbf {MATHE} \mu \alpha T\mathbb {R} ix}\end{smallmatrix}}$ – Mathematik für die Schule

Wiktionary: proportional – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen