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Eigenschaften von Potenzen und Logarithmen

Eigenschaften von Logarithmen

Mathe3.540Aktualisiert 29. Sept. 20263 Seiten

Logarithmus einfach erklärt: Lernzettel für Schüler

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Valerie Sophie@valeriesophie_2023
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Der Logarithmus ist ein grundlegendes mathematisches Konzept, das die Umkehrung des Potenzierens darstellt. Wenn wir uns fragen, mit welcher Zahl eine bestimmte Basis multipliziert werden muss, um ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten, hilft uns der Logarithmus. Beispielsweise beantwortet der Logarithmus die Frage: "Welche Potenz muss 2 haben, um 32 zu ergeben?" Die Antwort lautet $log_2 32 = 5$, da $2^5 = 32$. Logarithmen haben wichtige Anwendungen in vielen Bereichen der Mathematik und Naturwissenschaften und erleichtern komplexe Berechnungen durch ihre besonderen Eigenschaften und Gesetze.
Lernzettel Logarithmus – Seite 1

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Eigenschaften des Logarithmus

Der Logarithmus als Umkehrung des Potenzierens hat bestimmte Eigenschaften, die ihn für mathematische Berechnungen wertvoll machen.

Wenn wir die Gleichung ax=ba^x = b haben, dann ist die Lösung x=logabx = log_a b, wobei:

  • a die Basis des Logarithmus ist
  • b der Numerus (Potenzwert) ist
  • x der gesuchte Exponent (Logarithmus) ist

Beispiel für Funktionsgleichung:

  • Gegeben: P1 (0 | 2) und P2 (4 | 20)
  • Ansatz: y=a⋅bxy = a \cdot b^x
  • Einsetzen von P1: 2=a⋅b0=a⋅12 = a \cdot b^0 = a \cdot 1, also a=2a = 2
  • Einsetzen von P2: 20=2⋅b420 = 2 \cdot b^4, also 10=b410 = b^4 oder b=104b = \sqrt[4]{10}

Logarithmusfunktionen:

  • Die Exponentialfunktion fxx = exe^x und die Logarithmusfunktion fxx = lnxx sind zueinander invers
  • Der Definitionsbereich von lnxx ist x > 0
  • Bei x = 1 gilt lnxx = 0

Wichtige Eigenschaft: Logarithmusfunktionen wachsen langsamer als jede Potenzfunktion. Während die Ableitung der Exponentialfunktion wieder die Exponentialfunktion selbst ist, ist die Ableitung des natürlichen Logarithmus f′(x)=1xf'(x) = \frac{1}{x}.

Lernzettel Logarithmus – Seite 2

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Logarithmus-Gesetze: Teil 2

Die Logarithmus-Gesetze ermöglichen uns, komplexe Rechenoperationen mit Logarithmen zu vereinfachen und Probleme effizienter zu lösen.

1. Logarithmus-Gesetz: Addition

  • Formel: log⁡a(u⋅v)=log⁡a(u)+log⁡a(v)\log_a(u \cdot v) = \log_a(u) + \log_a(v)
  • Anwendung: Der Logarithmus eines Produkts lässt sich als Summe der Logarithmen darstellen
  • Beispiele:
    • ln⁡(2⋅e)=ln⁡(2)+ln⁡(e)\ln(2 \cdot e) = \ln(2) + \ln(e)
    • \ld(5)+\ld(3,2)=\ld(5⋅3,2)=\ld(16)\ld(5) + \ld(3,2) = \ld(5 \cdot 3,2) = \ld(16)

2. Logarithmus-Gesetz: Subtraktion

  • Formel: log⁡a(uv)=log⁡a(u)−log⁡a(v)\log_a(\frac{u}{v}) = \log_a(u) - \log_a(v)
  • Anwendung: Der Logarithmus eines Quotienten ist die Differenz der Logarithmen
  • Beispiele:
    • lg⁡(1002)=lg⁡(100)−lg⁡(2)\lg(\frac{100}{2}) = \lg(100) - \lg(2)
    • lg⁡(50)−lg⁡(5)=lg⁡(505)=lg⁡(10)\lg(50) - \lg(5) = \lg(\frac{50}{5}) = \lg(10)

3. Logarithmus-Gesetz: Potenz/Wurzel

  • Formel: log⁡a(ur)=r⋅log⁡a(u)\log_a(u^r) = r \cdot \log_a(u)
  • Formel für Wurzeln: log⁡a(ur)=1r⋅log⁡a(u)\log_a(\sqrt[r]{u}) = \frac{1}{r} \cdot \log_a(u)
  • Beispiele:
    • lg⁡(105)=5⋅lg⁡(10)\lg(10^5) = 5 \cdot \lg(10)
    • ln⁡(0,9n)=n⋅ln⁡(0,9)\ln(0,9^n) = n \cdot \ln(0,9)

Praxistipp: Diese Gesetze sind besonders hilfreich beim Lösen von Exponentialgleichungen. Durch Logarithmieren beider Seiten und Anwenden der Logarithmusgesetze können komplizierte Exponenten isoliert werden.

Lernzettel Logarithmus – Seite 3

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Anwendung von Logarithmen und Basistransformation

Die Basistransformation ist eine mächtige Technik, um Logarithmen mit beliebigen Basen zu berechnen.

Grundprinzip der Basistransformation:

  • Ausgangspunkt: log⁡a(b)\log_a(b) soll berechnet werden

  • Umformung der Gleichung ax=ba^x = b

  • Anwendung eines bekannten Logarithmus (z.B. lg⁡\lg):

    • lg⁡(ax)=lg⁡(b)\lg(a^x) = \lg(b)
    • x⋅lg⁡(a)=lg⁡(b)x \cdot \lg(a) = \lg(b)
    • x=lg⁡(b)lg⁡(a)x = \frac{\lg(b)}{\lg(a)}

  • Allgemeine Formel: log⁡a(b)=log⁡c(b)log⁡c(a)\log_a(b) = \frac{\log_c(b)}{\log_c(a)}, wobei cc eine beliebige Basis sein kann

Wichtige Sonderfälle:

  • log⁡a(1)=0\log_a(1) = 0 für jede Basis a>0a > 0
  • log⁡a(a)=1\log_a(a) = 1 für jede Basis a>0a > 0
  • log⁡a(an)=n\log_a(a^n) = n für jede Basis a>0a > 0 und jedes nn

Die drei gebräuchlichsten Logarithmen:

  • Dekadischer Logarithmus: lg⁡=log⁡10\lg = \log_{10}
    • Besonders praktisch für Zehnerpotenzberechnungen
  • Natürlicher Logarithmus: ln⁡=log⁡e\ln = \log_e
    • Zentral in der Differential- und Integralrechnung
  • Dualer Logarithmus: \ld=log⁡2\ld = \log_2
    • Wichtig in der Informatik und Digitaltechnik

Anwendungsbeispiel: Die Basistransformation ist besonders nützlich, wenn dein Taschenrechner nur bestimmte Logarithmen (meist ln⁡\ln und lg⁡\lg) berechnen kann. Um beispielsweise log⁡5(20)\log_5(20) zu berechnen, kannst du die Formel log⁡5(20)=ln⁡(20)ln⁡(5)\log_5(20) = \frac{\ln(20)}{\ln(5)} oder log⁡5(20)=lg⁡(20)lg⁡(5)\log_5(20) = \frac{\lg(20)}{\lg(5)} verwenden.

Wir dachten schon, du fragst nie...

Der Logarithmus ist die Umkehrung des Potenzierens. Während beim Potenzieren (z.B. 2^5 = 32) eine Basis mit einem Exponenten berechnet wird, fragt der Logarithmus nach dem Exponenten, mit dem eine Basis potenziert werden muss, um einen bestimmten Wert zu erhalten. Die Logarithmus Funktion löst also Gleichungen der Form a^x = b durch x = log_a(b). Im Grunde beantwortet der Logarithmus die Frage: "Mit welcher Zahl muss ich die Basis potenzieren, um den gegebenen Wert zu erhalten?"

Um einen Logarithmus zu einer beliebigen Basis a zu berechnen, kannst du den Basiswechsel nutzen. Die Formel lautet: log_a(b) = lg(b)/lg(a). Das bedeutet, du kannst jeden Logarithmus berechnen ohne Taschenrechner, wenn du die entsprechenden Werte für den dekadischen Logarithmus (Basis 10) kennst. Zum Beispiel kannst du log_3(27) berechnen, indem du lg(27)/lg(3) rechnest. Diese Methode funktioniert mit jeder Logarithmusbasis.

Die drei grundlegenden Logarithmus Regeln sind: Addition (log_a(u·v) = log_a(u) + log_a(v)), Subtraktion (log_a(u/v) = log_a(u) - log_a(v)) und Potenz/Wurzel (log_a(u^r) = r·log_a(u)). Diese Gesetze werden angewendet, wenn du komplexe logarithmische Ausdrücke vereinfachen oder umformen möchtest. Beispielsweise kann der Ausdruck ln(2·e) mit dem Additionsgesetz zu ln(2) + ln(e) umgeformt werden. Die Logarithmus Regeln sind besonders nützlich beim Lösen von Exponentialgleichungen.

Der Logarithmus von 1 ist immer 0, unabhängig von der Basis, weil a^0 = 1 für jede Basis a gilt. Ein weiterer wichtiger Sonderfall ist log_a(a) = 1, da a^1 = a ist. So ist zum Beispiel ln(e) = 1 und lg(10) = 1. Der natürliche Logarithmus (ln) verwendet die Euler'sche Zahl e ≈ 2,71828 als Basis. Zu beachten ist auch, dass der Logarithmus von 0 nicht definiert ist und der Logarithmus für negative Zahlen im reellen Zahlenbereich nicht existiert.

Weitere Quellen

  1. Lambacher Schweizer - Mathematik für Gymnasien: Logarithmusfunktionen von Klett, Lehrbuch, Umfassende Erklärungen zu Logarithmusfunktionen mit vielen Übungsaufgaben und Anwendungsbeispielen - Link

  2. Mathematik Oberstufe - Arbeitsheft Logarithmusfunktionen von Cornelsen, Arbeitsheft, Übungen zu Logarithmen, Logarithmusgesetzen und Anwendungen mit Lösungen - Link

  3. Abitur-Training Mathematik: Logarithmus und Exponentialfunktionen von Stark Verlag, Übungsbuch, Gezielte Vorbereitung auf das Abitur mit Logarithmusaufgaben, Basiswechsel und natürlichen Logarithmen - Link

  4. Analysis 1: Differentialrechnung und Logarithmusfunktionen von Springer Spektrum, Lehrbuch, Mathematisch fundierte Einführung in die Logarithmusfunktion mit Anwendungen in der Differentialrechnung - Link

Weiter erforschen

  1. Erstelle ein Cheat-Sheet mit den wichtigsten Logarithmusregeln und berechne ohne Taschenrechner: log₂(8), log₁₀(0,01), ln(e²) und log₄(16).

  2. Untersuche, wie Logarithmen in der Praxis verwendet werden: Wie hängen pH-Wert, Erdbebenstärke (Richterskala) und Schallpegel (Dezibel) mit dem Logarithmus zusammen?

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