1) Potenzen, Wurzelfunktionen, Logarithmus und Exponentialfunktion

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1 1) Potenzen, Wurzelfunktionen, Logarithmus und Exponentialfunktion Potenzen mit natürlichen Zahlen als Exponenten: 1. Definition der Potenz: n...exponent (Hochzahl).. 2. erstes Beispiel zu Potenzen: Berechne mit Hilfe des Taschenrechners 2 10 und 10 2! Welche Schlussfolgerung kann man durch den Vergleich der Ergebnisse ziehen? Lösung: Tastenfolge 2 10 Ergebnis: 1024 und Tastenfolge 10 2 Ergebnis: Merksatz Die Vertauschung von Basis und Exponent ändert den Wert der Potenz. 4. Addition und Subtraktion von Potenzen: Potenzen können dann und nur dann formelmäßig addiert oder subtrahiert werden, wenn sie sowohl in ihren Basen als auch in ihren Exponenten übereinstimmen. Man rechnet mit den Koeffizienten. 5. Beispiel zur Addition und Subtraktion von Potenzen: Berechne 8a 2 +2b 2 -(5a 2 +b 2 +a)! Lösung: 8a 2 +2b 2-5a 2 -b 2 -a=8a 2-5a 2 +2b 2 -b²-a=3a²+b²-a. 6. Merksatz Es ist immer darauf zu achten, dass zueinander verschiedene Potenzen nicht zusammengefasst werden können.

2 7. Multiplikation von Potenzen mit gleicher Basis (und verschiedenen Exponenten): 8. Beispiel zur Multiplikation von Potenzen mit gleicher Basis (und verschiedenen Exponenten): 9. Merksatz: Bei der Multiplikation von Potenzen mit gleichen Basen sind die (zueinander verschiedenen) Exponenten zu addieren. 10. Division von Potenzen mit gleicher Basis (und verschiedenen Exponenten): Potenzen mit gleicher Basis werden dividiert, indem man die Basis mit der Differenz der Exponenten potenziert, wobei hier einige Fallunterscheidungen vorgenommen werden. 11. Beispiel zur Division von Potenzen mit gleicher Basis und verschiedenen Exponenten: ; ; ;.

3 12. Merksatz: Bei der Division von Potenzen mit gleichen Basen ist darauf zu achten, dass die (zueinander verschiedenen) Exponenten zu subtrahieren sind. 13. Multiplikation von Potenzen mit gleichem Exponenten (und verschiedenen Basen): Potenzen mit gleichem Exponenten werden multipliziert, indem man das Produkt der Basen mit dieser Hochzahl potenziert, d. h.:, wobei und r N*. 14. Beispiel zur Multiplikation von Potenzen mit gleichem Exponenten (und verschiedenen Basen): Berechne: 15. Merksatz: Bei der Multiplikation von Potenzen mit gleichem Exponenten ist das Produkt der Basen mit dem jeweiligen Exponenten zu potenzieren. 16. Division von Potenzen mit gleichem Exponenten (und verschiedenen Basen): Potenzen mit gleichem Exponenten werden dividiert, indem man den Quotienten der Basen mit dieser Hochzahl potenziert, d.h. =, wobei a, b R, b 0 und r N *. 17. Beispiel zur Division von Potenzen mit gleichem Exponenten (und verschiedenen Basen): Berechne: 18. Merksatz: Bei der Division von Potenzen mit gleichem Exponenten ist der Quotient der Basen mit dem jeweiligen Exponenten zu potenzieren. 19. Potenzieren von Potenzen: Potenzen werden potenziert, indem man die Basis mit dem Produkt der Exponenten potenziert, d. h.: wobei und *.

4 20. Beispiel zum Potenzieren von Potenzen: Stelle als Potenz mit nur einem Exponenten dar: a) b) a) b) 21. Merksatz Eine Potenz wird potenziert, indem man die Exponenten multipliziert. Potenzen mit ganzen Zahlen als Exponenten: 22. Definition: 23. Beispiel zu Potenzen mit ganzzahligen Exponenten: 24. Merksatz: Eine Potenz mit negativem Exponenten kann als Bruch mit positivem Exponenten dargestellt werden. 25. Potenzfunktionen und ihre Graphen: Definition: Eine Funktion f: R R mit der Funktionsgleichung heißt Potenzfunktion. mit 26. Beispiel zur Potenzfunktion:. 27. Merksatz: Durch die Rechenanweisung wird für festes r Z jedem x R genau ein Wert y R zugewiesen.

5 Potenzen mit rationalen Zahlen als Exponenten: 28. Wurzeln - Potenzen, deren Exponenten Stammbrüche sind: Definition: Die n-te Wurzel aus einer nichtnegativen Zahl a ist jene nichtnegative Zahl b, deren n-te Potenz gleich a ist: a, b R, Dabei heißt a Radikand, n Wurzelexponent und b Wurzelwert: 29. Beispiel zu Potenzen, deren Exponenten Stammbrüche sind: denn = Merksatz:

6 31. Definition der n-ten Wurzel: Durch analoge Überlegungen wie bei der Quadratwurzel, nämlich * *...* (n-mal)=a=a 1 = (n-mal)= * *...* ) (nmal) gelangt man zur Definition 32. Beispiel zur n-ten Wurzel: =. 33. Merksatz: 34. Definition des Ausdrucks. 35. Beispiel zur obigen Definition: = Merksatz: Eine Potenz mit rationalem Exponenten kann in eine Potenz mit ganzzahligem Exponenten unter einer Wurzel umgeschrieben werden. Dabei ist der ganzzahlige

7 Exponent der Zähler des rationalen Exponenten und die Ordnung der Wurzel der Nenner des rationalen Exponenten. 37. Definition der Wurzelfunktion: Die Funktion w n : R + 0 R + 0 mit der Funktionsgleichung Wurzelfunktion. heißt 38. Beispiele zur Wurzelfunktion: w 2 : ; w 3 : und w 4 : R 0 + R. 39. Merksatz: Wie wir bereits wissen, ist das Wurzelziehen die "Umkehrung" des Potenzierens, und umgekehrt. Dementsprechend heißt die Wurzelfunktion w 3 : Umkehrfunktion der Potenzfunktion p 3 :. Allgemein: Der Graph der Umkehrfunktion w n der Potenzfunktion p n entsteht durch Spiegelung der Graphen von p n an der 1. Mediane.

8 Potenzen und Wurzeln von Polynomen: 40. Multiplikation von Polynomen: Summen und Differenzen von Potenzen bezeichnet man als Polynome. Treten nur Potenzen mit der Basis x auf, so ergibt sich als Normalform des Polynoms ein Ausdruck der Gestalt Es gibt auch Polynome in zwei oder mehreren Variablen, z. B. Wenn die einzelnen Variablen eines Polynoms in zwei oder mehreren Variablen gleichen Grad haben, existiert auch für solche Polynome eine Normalform, nämlich Müssen Polynome mit mehreren Gliedern miteinander multipliziert werden, bietet sich eine Schreibweise an, die der Multiplikation mehrstelliger Zahlen nachempfunden ist Beispiel zur Multiplikation von Polynomen in einer Variablen: Berechne )...erste Klammer mal...erste Klammer mal...erste Klammer mal 1...Summe der 3 Teilprodukte. 42. Beispiel zur Multiplikation von Polynomen in zwei Variablen: Berechne...erste Klammer mal...erste Klammer mal Teilprodukte....Summe der zwei

9 43. Merksatz: Bei der Multiplikation von Polynomen in einer oder mehreren Variablen ist wichtig, dass man die Potenzen nach fallenden Exponenten ordnet und dass "richtig" untereinander geschrieben wird. 44. Division von Polynomen: Beim Dividieren von Polynomen ist es günstig, das Divisionsverfahren für ganze Zahlen nachzuahmen. 45. Beispiel zur Division von Polynomen in einer Variablen: Berechne! entsteht aus 1. Zwischenrest entsteht aus 2. Zwischenrest entsteht aus 3. Zwischenrest entsteht aus 0 Rest. 46. Beispiel zur Division von Polynomen in zwei Variablen: Berechne! 0 Rest.

10 47. Merksatz: Bei der Division von Polynomen sind folgende Schritte durchzuführen: 0. Beide Polynome nach fallenden Potenzen reihen (sonst hat man dann ein "Durcheinander"). 1. (1. Glied des Dividendenpolynoms):(1. Glied des Divisorpolynoms)=1. Glied des Quotientenpolynoms. 2. (Divisorpolynom)*(1. Glied des Quotientenpolynoms)=1. Zwischenprodukt (richtig darunterschreiben!) 3. Subtrahieren des 1. Zwischenproduktes vom Dividendenpolynom (eventuell alle Vorzeichen im 1. Zwischenprodukt wechseln - Addieren ist leichter als Subtrahieren!) = 1. Zwischenrest. 4. Ersetze den Dividenden durch den 1. Zwischenrest und fahre bei Punkt 1. fort. 48. Herausheben: Eine wichtige Anwendung des Dividierens ist das Herausheben, bei dem ein Polynom in ein Produkt von (zumeist) einem Monom und einem Polynom umgeformt wird. 49. Beispiel zum Herausheben: Vereinfache: a) b) a) b) ( 50. Merksatz: Beim Herausheben muss der Divisor "erraten" werden. 51. Wurzelfreimachen des Nenners: Zerlegungsformeln: unzerlegbar in R.

11 52. Beispiel zum Wurzelfreimachen des Nenners: Mache die Nenner der folgenden Brüche wurzelfrei: a) und b). Lösung: Wir erweitern geeignet: a). Gemäß Zerlegungsformel 1) ist ja b) Gemäß Zerlegungsformel 3) ist ja 53. Merksatz: Ist der Nenner des Bruches ein Ausdruck, der Wurzeln enthält, so versucht man den Bruch so geschickt zu erweitern, dass die Wurzeln wegfallen. Dabei verwendet man die Zerlegungsformeln. 54. Potenzen von Binomen: Binomische Formeln: 55. Beispiele zu Potenzen von Binomen:.

12 56. Merksatz: Es lassen sich folgende Gesetzmäßigkeiten für (a+b) n vermuten: 1) Der Potenzexponent von a beginnt mit n und wird bei jedem nachfolgenden Glied um 1 kleiner, der von b hingegen beginnt mit 0 (beachte b 0 =1) und wird jeweils um 1 größer. 2) Die Koeffizienten der Potenzen des Binoms (=Binomialkoeffizienten) sind symmetrisch angeordnet. 3) Der erste und der letzte Koeffizient ist 1, der zweite und der vorletzte n. 4) Um eine Regel für die anderen Koeffizienten zu finden, betrachten wir, wie etwa die ² zustande gekommen ist: Sie ergab sich beim Ausmultiplizieren aus also aus der Summe zweier Koeffizienten der vorhergehenden Reihe. 57. Pascal'sches Dreieck: Die Eigenschaften 1) bis 4) erkennt man deutlich, wenn man die Binomialkoeffizienten in Form eines Dreiecks, dem sogenannten PASCAL'schen Dreieck, anordnet, in dem auch die Koeffizienten von und eingetragen sind. 58. Das Pascal'sche Dreieck bis n=5: n=0 1 k=0 n=1 1 1 k=1 n= k=2 n= k=3 n= k=4 n= k=5 59. Wurzelgleichungen: Gleichungen, in denen die Variable (Variablen) unter einem Wurzelzeichen auftritt (auftreten), nennt man Wurzelgleichungen. 60. Beispiel zu Wurzelgleichungen: Löse für G=R:. Probe: LS }. Löse für

13 Probe: LS 61. Beispiel zu einer Gleichung in der mehrere Wurzeln auftreten: Löse in R: Beachte:, = ²! 1 * Wurzel isolieren! So weit wie möglich kürzen! Quadrieren! Herstellen der normierten Form der quadratischen Gleichung und lösen! Probe für : Probe für : ist nicht definiert Dass -3 keine Lösung ist, hätte man auch anhand der Definitionsmenge sehen können: 62. Beispiel zu einer Wurzelgleichung, die in R nicht lösbar ist: Löse für

14 Probe: LS=RS= ist nicht definiert, da der Radikand sein muss Die Unlösbarkeit der Gleichung hätte man auch unmittelbar aus der Definitionsmenge ersehen können: 63. Merksatz: Da Quadrieren und Wurzelziehen in R keine Äquivalenzumformungen sind, ist es bei Wurzelgleichungen äußerst wichtig, stets eine Probe durchzuführen. Potenzen mit reellen Exponenten - Exponentialfunktion: 64. Potenzen mit reellen Exponenten: Potenzen, deren Exponent x eine endliche Dezimalzahl ist, haben wir vorher schon behandelt. Beispielsweise ist 3 1,4 gleichbedeutend mit. Was aber kann bedeuten? ist der Grenzwert der Folge (1; 1,4; 1,41; 1,414;...). Wir legen daher als Grenzwert der Folge (3 1 ; 3 1,4 ; 3 1,41 ; 3 1,414 ;...) fest. Diese Folge ist wohldefiniert, da ja jedes Folgenglied eine endliche Dezimalzahl als Exponent besitzt. Die Folge ist monoton wachsend und -z. B. durch 3²- nach oben beschränkt und konvergiert daher gemäß dem Satz von der monotonen Konvergenz. Die Rechenregeln für Potenzen gelten auch für Potenzen mit beliebigen reellen Exponenten. Betrachten wir zum Beispiel die Regel a r *a s =a r+s : Strebt die Exponentenfolge (r 1 ; r 2 ; r 3 ;...) gegen r und die Exponentenfolge (s 1 ; s 2 ; s 3 ;...) gegen s, so strebt die Summenfolge (r 1 +s 1 ; r 2 +s 2 ; r 3 +s 3 ;...) gegen r+s. 65. Beispiel zu Potenzen mit reellen Exponenten: Zu zeigen (a*b) r =a r *b r, wobei r R. Wir betrachten dazu die Folge (r 1 ; r 2 ; r 3 ;...) r, dann gilt: (a r1 ; a r2 ; a r3 ;...) a r, (b r1 ; b r2 ; b r3 ;...) b r und ((a*b) r1 ;(a*b) r2 ; (a*b) r3 ;...) (a*b) r. Nun gilt aber (a*b) ri =a ri *b ri für alle i Q. 66. Merksatz: Das Berechnen von Potenzen mit irrationalen Exponenten kann man näherungsweise aus dem Berechnen von Potenzen mit rationalen Exponenten herleiten.

15 67. Die Exponentialfunktion: Definition: Unter der Exponentialfunktion zur Basis a versteht man die Funktion a exp: R R, y=a x und a R Beispiel zur Exponentialfunktion: Zeichne die Graphen der Funktionen a)y=2 x, b)y=3 x, c)y=0.1 x und d)y=0.5 x für D=[-5; 5] in ein Koordinatensystem! Wir stellen eine Wertetabelle (gerundet auf 2 Dezimalstellen) auf: x x 0,031 0,062 0,12 0,2 0, x 1/243 1/81 1/27 1/9 1/ x , 1 0,0 1 0,00 1 0, , x , 5 0,2 5 0,12 5 0, , Merksatz: Anhand des obigen Beispiels können wir folgende Eigenschaften für die Exponentialfunktionen feststellen: Die Funktionen sind durch die x-achse nach unten beschränkt; mit anderen Worten: Sämtliche Funktionswerte sind positiv, d.h. der Graph verläuft zur Gänze oberhalb der x-achse. Die Funktionen sind nach oben unbeschränkt (außer a=1). Die Funktionsgraphen enthalten stets den Punkt P(0 1). Erkläre! Für a>1 ist die Funktion streng monoton wachsend, für a=1 konstant, für 0<a<1 streng monoton fallend.

16 Die Graphen der Funktionen y=a x und y=(1/a) x liegen symmetrisch bezüglich der y- Achse. Für a>1 ist die negative x-achse die einzige Asymptote, für 0<a<1 ist die positive x- Achse die einzige Asymptote. EULER'sche Zahl und natürliche Exponentialfunktion: 70. Die Verzinsung eines Kapitals: Im Folgenden wollen wir uns mit der Verzinsung eines Kapitals beschäftigen. Gegeben sei das Kapital K, das zu 100% jährlich verzinst wird; d.h. der Zinsfuß ist 100%. Nach einem Jahr hat man dann doppelt so viel wie zu Beginn des Jahres, also 2K. Frau Helga Schlaumeier ist das noch zu wenig und sie überlegt sich Folgendes: Angenommen, sie lässt sich das Geld mit den Zinsen bereits nach einem halben Jahr von der Bank wieder auszahlen, dann erhält sie K+K/2=3K/2. Dieses Geld legt sie sofort wieder ein, dann erhält sie nach einem weiteren halben Jahr an Zinsen: * =, also insgesamt + = = 2,25*K. Was erhält Frau Schlaumeier, wenn sie das Geld nun monatlich behebt und sofort wieder einzahlt? Nach dem 1. Monat: K 1 =K+ *K=K*(1+ )... Nach dem 12. Monat: K 12 =K*(1+ ) 12 2,613*K. Ebenso leicht lässt sich berechnen, was sich theoretisch bei einer täglichen Behebung und Einzahlung ergäbe: K 365 =K*(1+ ) 365 2,7145*K. Die Steigerung von 2,613 bei monatlicher Einzahlung auf 2,7145 bei täglicher Einzahlung ist eigentlich gering. Es ist daher zu vermuten, dass sich auch bei noch weiteren Steigungen kein sehr viel höherer Wert als 2,71 ergibt. Mathematisch ausgedrückt stellt sich die Frage, ob der Grenzwert existiert, und wenn ja, wie groß er ist. Definition: Die Zahl e= = = 2, heißt EULER'sche Zahl. Sie gibt an, auf das Wievielfache ein Kapital bei einem jährlichen Zinssatz von 100% bei stetiger Verzinsung in einem Jahr anwächst. 71. Die stetige Verzinsung: Die Zinseszinsformel K n =K 0 *(1+ ganze Jahre und Bruchteile von Jahren (n Q + ). ) n gilt gemäß ihrer Herleitung nur für

17 Wendet man diese Formel auch für Exponenten R + an, was natürlich nur von theoretischem Interesse ist, so spricht man von einer stetigen Verzinsung K x =K 0 *q x, x R +, q=1+. Letztere ist rechnerisch bequemer, so dass man die (ohnedies nur kleine) Abweichung von der bankmäßigen Verzinsung, bei der das Kapital während des Jahres (Banken rechnen mit 12 mal 30=360 Tagen) linear verzinst wird, oft in Kauf nimmt. 72. Beispiel zur stetigen Verzinsung: Ein Kapital von Euro wird in der Mitte des Jahres auf 3,5 Jahre angelegt. Berechne das Endkapital K n bei 3% Verzinsung mittels (1) stetiger Verzinsung und vergleiche (2) mit der bankmäßigen! (1) K n =10000*(1+0,03) 3,5 =11089,97. (2) Die Zinsen nach 0,5 Jahren betragen 150, das Kapital daher und nach weiteren drei Jahren K 3 =10150*(1+0,03) 3 =11091,18. Der Unterschied zur bankmäßigen Verzinsung beträgt nur 1,21 Euro! 73. Merksatz: Die stetige Verzinsung leitet sich aus der Zinseszinsformel ab, wobei nun nicht nur Exponenten aus Q + sondern auch Exponenten aus R + zugelassen sind. Die stetige Verzinsung unterscheidet sich von der bankmäßigen dahingehend, dass die Bank im Gegensatz zur stetigen Verzinsung während des Jahres linear verzinst. Logarithmus und Logarithmusfunktion: 74. Definition des Logarithmus: Betrachten wir das Beispiel 2³=8. Dann gibt es offenbar drei Möglichkeiten, daraus eine Bestimmungsgleichung zu machen: Die Gleichung 2³=x: Die Lösung findet man durch Potenzieren. Die Gleichung x³=8: Die Lösung findet man durch Wurzelziehen: x=. Die Gleichung 2 x =8: Aus dem Graphen von y=2 x kann man erkennen, dass die Gleichung genau eine Lösung hat. Um diese Lösung -allgemein: die Lösung der Gleichung a x =b - explizit darstellen zu können, müssen wir eine weitere Umkehrfunktion des Potenzierens und eine zugehörige Schreibweise und Sprechweise einführen. Definition: Die Lösung der Gleichung a x =b (a R + \{1}, b R + ) in R nennt man den Logarithmus von b zur Basis a; b heißt Numerus. a x =b x= a logb. In Worten: Der Logarithmus von b zur Basis a ist jener Exponent, mit dem man a potenzieren muss, um b zu erhalten. 75. Beispiel zum Logarithmus: Berechne: a) 7 log 49, b) 2 log (1/8), c) 5 log, d) 0,5 log 2. a) 7 log 49=2, da 7²=49.

18 b) 2 log (1/8)=-3, da 2-3 =1/2³=1/8. c) 5 log =1/2, da 5 1/2 =. d) 0,5 log 2=-1, da 0,5-1 =(1/2) -1 = Merksatz: Der Logarithmus antwortet im Allgemeinen auf die Frage: "Die Basis hoch wie viel ist der Numerus?". 77. Definition der Logarithmusfunktion: Definition: Unter der Logarithmusfunktion zur Basis a versteht man die Funktion a log: R + R, y= a logx und a R + \{1}. Da Logarithmieren und Exponenzieren Umkehroperationen sind, bezeichnen wir die Logarithmusfunktion als Umkehrfunktion der Exponentialfunktion. Um die Logarithmusfunktion zu erhalten, braucht man also nur den Graphen der Exponentialfunktion an der 1. Mediane zu spiegeln. Somit können wir auch die Eigenschaften der Logarithmusfunktion aus denen der Exponentialfunktion herleiten: Die Funktion ist nur für positive reelle Zahlen definiert, d. h. der Graph verläuft rechts der y-achse. Die Funktion ist nach unten und oben unbeschränkt. Die Funktion enthält stets den Punkt P(1 0). Für a>1 ist die Funktion streng monoton wachsend, für 0<a<1 ist die Funktion streng monoton fallend. Die Graphen der Logarithmusfunktion zur Basis a und zur Basis 1/a liegen symmetrisch bezüglich der x-achse. Für a>1 ist die negative y-achse die einzige Asymptote, für 0<a<1 ist die positive y-achse die einzige Asymptote.

19 78. Beispiel zur Logarithmusfunktion: 79. Merksatz: Die Exponentialfunktion und die Logarithmusfunktion sind zueinander Umkehrfunktionen. Dies bedeutet, dass man die Logarithmusfunktion aus der Exponentialfunktion durch Spiegelung an der 1. Mediane erhält. Rechnen mit Logarithmen: 80. Logarithmieren und Entlogarithmieren: Bevor es elektronische Rechner gab, wurden die Logarithmen vor allem dazu verwendet, um das Multiplizieren und Dividieren zu vereinfachen. Wir erläutern die Idee an einem ganz einfachen Beispiel: Die Multiplikation 4*8 kann man wegen 4=2² und 8=2³ unter Anwendung der Potenzregeln in der Form 4*8=2²*2³=2² +3 =2 5 =32 berechnen. Unter Verwendung von Logarithmen kann man dafür schreiben: 4*8=2 2log4 *2 2log8 =2 2log4+2log8 =2 2log32 =32. Man sieht: 2 log(4*8)= 2 log4+ 2 log8. In Verallgemeinerung dieses Beispiels gilt: a log(u*v)= a log u+ a log v. Der Logarithmus eines Produktes ist also gleich der Summe der Logarithmen der Faktoren. Für a R + \{1} und u, v R + gelten folgende Regeln: 1) a log(u*v)= a log u+ a log v, 2) a log(u/v)= a log u- a log v, 3) a log u r =r* a log u mit r R, 4) a log = * a log u mit r N *.

20 81. Beispiel zum Logarithmieren und Entlogarithmieren: a) Stelle log(5x²* /z 4 ) als Summe bzw. Differenz von Logarithmen dar! b) Stelle 2* log5-0,5*(log a+2*logb)+0,8*logc als Logarithmus eines Terms dar! a)...=log(5*x²)+log y 1/2 -log z 4 =log 5 +2*log x+1/2*log y-4*log z. b)...=2*log 5-0,5*log a-log b+4/5*log c=log 5²-log a 0,5 -log b+log c 4/5 = log 5²+log -(log +log b)=log (5²* / ). 82. Merksatz: Da Logarithmen "nur" die Hochzahlen von Potenzen zu einer festen Basis a sind, gelten für sie genau jene Rechengesetze, die wir schon beim Potenzrechnen kennen gelernt haben - nur eben in einer anderen Sprech- und Schreibweise. 83. Zusammenhang zwischen Logarithmen mit verschiedenen Basen: Für die praktische Anwendung sind vor allem der dekadische Logarithmus (wegen seines Zusammenhanges mit dem dekadischen Zahlensystem) und der natürliche Logarithmus (zur Darstellung kontinuierlicher Wachstumsprozesse) wichtig. Diese beiden Logarithmen sind auch am Taschenrechner unmittelbar verfügbar. Für gewisse Anwendungen sind jedoch gelegentlich auch die Logarithmen zu anderen Basen von Bedeutung, z.b. in der Informatik der Logarithmus zur Basis 2. Alle diese Logarithmen lassen sich aufgrund des folgenden Zusammenhangs am Taschenrechner ermitteln: Werden beide Seiten der Definition des Logarithmus a alogx =x bezüglich der Basis 10 logarithmiert, so erhält man a logx*lg a=lg x. Hieraus ergibt sich die Umrechnungsformel von lg x auf a log x: a log x=. 84. Merksatz: Wir brauchen also nur lg x durch den dekadischen Logarithmus zur Basis a zu dividieren, um den a log x zu erhalten. Mit anderen Worten: Der dekadische Logarithmus und der Logarithmus zur Basis a sind direkt proportional. Exponentialgleichungen und logarithmische Gleichungen: 85. Exponentialgleichungen: Logarithmen kann man nicht nur zum Abschätzen verwenden, sondern man kann damit auch Gleichungen lösen, in denen die Unbekannte als Exponent vorkommt. Solche Gleichungen heißen naturgemäß Exponentialgleichungen.

21 Sie lassen sich vielfach durch Logarithmieren lösen. 86. Beispiel zu Exponentialgleichungen: Berechne x aus 3 x =2, G=R! Wir führen die Gleichung durch Logarithmieren zur Basis 10 in eine lineare Gleichung über: lg 3 x =lg 2 x*lg 3=lg 2 x= 0,63093 Probe: 3 0, Merksatz: An sich ist es gleichgültig, bezüglich welcher Basis man die Gleichung logarithmiert. Unmittelbar am Taschenrechner sind jedoch nur der dekadische bzw. der natürliche Logarithmus verfügbar, so dass man diesen im Allgemeinen den Vorzug gibt. 88. Logarithmische Gleichungen: Bei vielen Problemen treten Gleichungen auf, bei denen die Unbekannte als Numerus von Logarithmen vorkommt; man nennt sie logarithmische Gleichungen. 89. Beispiel zu logarithmischen Gleichungen: Löse die Gleichung 6*(lg x)²+2=lg x 7 für G=R +! 6*(lg x)²-7lg x+2=0 lg x=u 6u²-7u+2=0 u²-7/6*u+1/3=0 u 1,2 =7/12+- = (7+-1)/12. u 1 =2/3 x 1 =10 u1 =10 2/3 =. u 2 =1/2 x 2 =10 u2 =10 1/2 =. L={ ; }. Probe: Für x 1 : LS=4,6667=RS. Für x 2 : LS=3,5=RS. 90. Merksatz: Beim Lösen logarithmischer Gleichungen ist es oft hilfreich, den logarithmierten Numerus zu substituieren.

22 2) Schularbeit 1. Potenzen und Potenzfunktionen a) Die Wellenlänge von blauem Licht beträgt etwa 450nm. Wie viele Wellenberge müssten sich daher auf einer Distanz von 1 m befinden? (3P) b) Vereinfache uns stelle das Ergebnis mit positiven Hochzahlen dar: [ ]* = (9P) c) Vereinfache so weit wie möglich: = (4P) d) Beseitige die Klammer und vereinfache! = (2P) 2. Wurzelgleichungen a) Löse folgende Gleichungen mit G=R! Bestimme vorher die Definitionsmenge! = (7P) b) Erkläre die Wichtigkeit einer Probe speziell bei Wurzelgleichungen! (3P) 3. Exponentialfunktion a) Ist f eine Exponentialfunktion mit f(x)=c*a x (c R, a R + ), dann gilt: f(x+1)=f(x)*a Beweise diese Aussage! (3P) b) Von einem bestimmten Zeitpunkt an, wächst die Bevölkerung einer Stadt annähernd exponentiell nach dem folgenden Wachstumsgesetz. Dabei ist N(t) die Einwohnerzahl nach t Jahren. Wie viele Einwohner sind zum Anfangspunkt, wie viele nach 5 Jahren vorhanden? Um wie viel Prozent nimmt die Einwohnerzahl jährlich zu? N(t)=10500*1,08 t (6P)

23 4. Logarithmusfunktion a) Eine Größe vermindert sich nach dem Abnahmegesetz N(t)=500* (t in Jahren). Nach welcher Zeit ist N(t) 10? (5P) b) Vereinfache: a log + a log(a- b). (2P) c) Für welche x R gilt näherungsweise 5 2x- 1 =30? (4P) Mucha suerte (Viel Erfolg)! Beurteilung: Sehr gut Gut Befriedigend Genügend 23-0 Nicht genügend

24 3) Arbeitsblätter Wurzelfunktion Umkehrung der Potenzfunktion Definition: Die Funktion mit der Funktionsgleichung, heißt Wurzelfunktion. Welche gemeinsamen Eigenschaften kannst du erkennen hinsichtlich der Funktionswerte der Nullstellen der Monotonie der gemeinsamen Punkte Was kann man mit steigendem Wurzelexponenten aussagen?

25 Zusammenhang zwischen Potenzfunktion und Wurzelfunktion Was fällt hier auf? Begründe! Antwort: Die Zuordnungsgleichungen und beschreiben denselben Zusammenhang. Die Funktionsgleichung der zweiten Funktion entsteht durch Radizieren aus der ersten. Wird nun in der zweiten Funktionsgleichung mit vertauscht, so erhält man. Da das Vertauschen der Variablen eine Spiegelung an der 1. Mediane beschreibt, liegen die Graphen symmetrisch zur 1. Mediane.

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27 Die Exponentialfunktion Definition: Die Funktion heißt Exponentialfunktion zur Basis a. In der folgenden Abbildung sind die Graphen eingezeichnet: Welche Eigenschaften für Exponentialfunktionen kannst du aus dieser Abbildung feststellen hinsichtlich: der Funktionswerte des gemeinsamen Punktes der Monotonie der Symmetrie bezüglich der Graphen der Asymptoten

28 Logarithmusfunktionen Definition: Unter der Logarithmusfunktion versteht man die Funktion: a log: R + R, y= a logx und a R + \{1}. Da Logarithmieren und Exponenzieren Umkehroperationen sind, kann man die Logarithmusfunktion als Umkehrfunktion der Exponentialfunktion zeichnen. Man braucht dazu nur den Graphen der Exponentialfunktion an der 1. Mediane spiegeln.

29 Welche Eigenschaften für Logartihmusfunktionen kannst du aus dieser Abbildung feststellen hinsichtlich: der Definitionswerte der Monotonie der Symmetrie der Logarithmusfunktion zur Basis a und zur Basis der Asymptoten Formuliere die Rechenregeln für das Logarithmieren und Entlogarithmieren: Merkregel: Beim Logarithmieren einer Rechenoperation erniedrigt sich diese um eine Stufe, beim Entlogarithmieren erhöht sie sich um eine Stufe.

30 Zusammenfassung der Rechenregeln Exponenten in ℕ!"# ℝ 1. Potenzen mit natürlichen Zahlen als Exponenten: Basen Potenzen ± Rechenregel Bsp Gleich Gleich +!!! +!"! = (! +!)!! 3!! + 2!! = 5!! Gleich Gleich -!!!!"! = (!!)!! 3!! 2!! =!! (Verschieden) Gleich *!!!! = (!!)! 4! 3! = (4 3)! (Verschieden) Gleich /!!!! =!!! 4! 4! =! 3 3 Gleich (Verschieden) *!!!! =!!!! 2! 2! = 2!!! Gleich (Verschieden) /!! =!!!!!! 2! = 2!!! 2!!! 2! Potenzieren von Potenzen! =!!!! =!!! Wichtig: Potenzen mit gleicher Basis werden dividiert, indem man die Basis mit der Differenz der Exponenten potenziert, wobei folgende Fallunterscheidungen vorgenommen werden:!!!!!!!!!ü!! >! =!!ü!! =!!!!!!ü!! <!!

31 2. Potenzen mit ganzen Zahlen als Exponenten: Zusätzlich der beiden Definitionen werden alle Rechenregeln mit natürlichen Exponenten übernommen. Definition:!!! =!!!!ü!! R!,! N Definition:!! =!!ü!! R!

32 Untersuchen von Potenzfunktionen Definition:!"#$!"#$%&'#!: R R!"#. R! R!"#!"#!"#$%&'#()*+&,-"#)! =!!!"#! Z!"#ß!!"#$%&'(%)#*"% Welche gemeinsamen Eigenschaften kannst du erkennen: Geht die Funktion durch den Ursprung? Verläuft sie unterhalb der x- Achse? Symmetrie?

33 Welche Eigenschaften erfüllen nun folgende Potenzfunktionen? Gemeinsame Eigenschaften für den Fall gerader Exponenten!!! verlaufen durch den Ursprung verlaufen nirgends unterhalb der x- Achse symmetrisch zur y- Achse Gemeinsame Eigenschaften für den Fall ungerader Exponenten!!! Gemeinsame Eigenschaften für den Fall gerader Exponenten!!! Gemeinsame Eigenschaften für den Fall ungerader Exponenten!!!

34 Grobziele: Die Schüler sollen die Verbindung von Potenzen/Wurzeln/Exponentialfunktion/Logarithmusfunktion verstehen Feinziele FZ 1 FZ 2 FZ 3 FZ 4 FZ 5 FZ 6 FZ 7 FZ 8 Die Schüler sollen folgende Themen erarbeiten: Potenzen mit natürlichen Zahlen als Exponenten Potenzen mit ganzen Zahlen als Exponenten Potenzen mit rationalen Zahlen als Exponenten Potenzen und Wurzeln von Polynomen Potenzen mit reellen Exponenten - Exponentialfunktion EULER'sche Zahl und natürliche Exponentialfunktion Rechnen mit Logarithmen Exponentialgleichungen und logarithmische Gleichungen Ziele FZ Dauer h Unterrichtsverlauf (strukturiert z. B. nach: Einstieg, Problembegegnung, Lösungsplan entwickeln, Ausführen, Sicherung des Unterrichtsertrages, etc.) 1 2 Herausarbeitung der Definitionen und durch viele Übungsaufgaben das Erlernte vertiefen 2 2 Durch die Zusammenfassung der Rechenregeln in der Tabelle intensive Übungseinheit 3 1 SchülerInnen auch an der Tafel Hausübungen vorrechnen lassen Lehr-, Lernmittel / Lehrverfahren / methodische Hinweise Vorrechnen, üben lassen Gemeinsam üben und rechnen Vorrechnen, erklären 4 2 Herausarbeitung der Definitionen und durch viele Übungsaufgaben das Erlernte vertiefen Gruppenarbeit 5 2 SchülerInnen können sich gegenseitig die Aufgaben erklären Gruppenarbeit 6 2 Herausarbeitung der Definitionen und durch viele Übungsaufgaben das Erlernte vertiefen 7 2 Herausarbeitung der Definitionen und durch viele Übungsaufgaben das Erlernte vertiefen Gemeinsam üben und rechnen Vorrechnen, erklären 8 2 SchülerInnen durch geeignete Übungsaufgaben den Rechenweg erarbeiten lassen Üben