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Beide Logarithmusgesetze

Beispiel:

Vereinfache den Term lg( 50 x 2 ) - lg( 1 50 x ) + lg( 1 2500 x 8 ) soweit wie möglich.

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lg( 50 x 2 ) - lg( 1 50 x ) + lg( 1 2500 x 8 )

= lg( 50 x 2 ) - lg( 1 50 x -1 ) + lg( 1 2500 x -8 )

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log(a ⋅ b) = log(a) + log(b) umformen zu:

= lg( 50 ) + lg( x 2 ) - ( lg( 1 50 ) + lg( 1 x ) ) + ( lg( 1 2500 ) + lg( 1 x 8 ) )

= lg( 50 ) + lg( x 2 ) - lg( 1 50 ) - lg( 1 x ) + lg( 1 2500 ) + lg( 1 x 8 )

Jetzt kann man mit dem 2. Logarithmusgesetz log(ab) = b⋅log(a) umformen zu:

= lg( 50 ) +2 lg( x ) - lg( 1 50 ) + lg( x ) + lg( 1 2500 ) -8 lg( x )

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log( a b ) = log(a)- log(b) noch die Brüche im Logarithmus umformen:

= lg( 50 ) +2 lg( x ) - lg( 1 ) + lg( 50 ) + lg( x ) + lg( 1 ) - lg( 2500 ) -8 lg( x )

= -5 lg( x ) - lg( 2500 ) + lg( 50 ) + lg( 50 )

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log(a ⋅ b) = log(a) + log(b) rückwärts umformen zu:

= -5 lg( x ) + lg( 1 2500 · 50 · 50 )

= -5 lg( x ) + lg( 1 50 · 50 )

= -5 lg( x ) + lg( 1 )

= -5 lg( x )

Term aus Graph bestimmen

Beispiel:

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Bestimme den Funktionsterm c · a x der Exponentialfunktion f deren Graph im Schaubild abgebildetet ist.

Tipp: Betrachte dazu den Graph an den Stellen x=0 und x=1.

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Der Graph schneidet die y-Achse im Punkt (0| 1 2 ), also gilt f(0)= 1 2 .

In den allgemeinen Funktionsterm f(x)= c · a x eingesezt bedeutet das: 1 2 = c · a 0 = c ⋅ 1.

Dadurch wissen wir nun schon: c = 1 2 , also f(x)= 1 2 ⋅ a x .

Außerdem können wir den Punkt (1| 3 2 ) auf dem Graphen ablesen, also git f(1) = 3 2 .

In unseren Funktionsterm f(x)= 1 2 ⋅ a x eingesezt bedeutet das: 3 2 = 1 2 ⋅a = 1 2 a .

Es gilt also: 3 2 = 1 2 a | ⋅ 2

3 = a

Somit ist der Funtionsterm: f(x)= 1 2 ⋅ 3 x

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Beispiel:

Die Funktion f mit f(x)= e 0,1x -0,1 -3 ist auf ihrer maximalen Definitionsmenge umkehrbar.

Bestimme die maximale Definitionsmenge und die Wertemenge von f sowie einen Term für die Umkehrfunktion f - .

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Maximale Definitionsmenge von f

Bei einer Exponentialfunktion kann man alle Werte für x einsetzen. (e0=1; e-c= 1 e c )

Für die maximale Definitionsmenge gilt somit: D = ℝ

Wertemenge von f

Der Exponent 0,1x -0,1 ist eine lineare Funktion (Gerade), die jeden Wert zwischen -∞ und ∞ annehmen kann.

Wir wissen, dass e 0,1x -0,1 für negative betragsmäßig große Werte im Exponent der 0 sehr schnell beliebig nahe kommt und für große positive Werte (sehr schnell) gegen ∞ strebt. Somit ist jeder Funktionswert im Bereich 0 < y < ∞ möglich.

Durch die -3 hinter dem e 0,1x -0,1 wird zu allen Funktionswerten von e 0,1x -0,1 noch -3 addiert. Dadurch verschiebt sich auch der Wertebereich zu W = {y ∈ ℝ | y > -3}

Umkehrfunktion

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Wir schreiben einfach mal y für f(x) und lösen die Funktionsgleichung nach x auf:

e 0,1x -0,1 -3 = y | +3
e 0,1x -0,1 = y +3 |ln(⋅)
0,1x -0,1 = ln( y +3 )
0,1x -0,1 = ln( y +3 ) | +0,1
0,1x = ln( y +3 ) +0,1 |:0,1
x = 1 0,1 ln( y +3 ) + 0,1 0,1

Statt jedem x ein y zuzuordnen (x ↦ y), wird bei der Umkehrfunktion ja gerade andersrum dem y das x zugeordnet (y ↦ x).
Deswegen vertauschen wir nun x und y:

y = 1 0,1 ln( x +3 ) + 0,1 0,1

und erhalten so die Umkehrfunktion f - (x) = 1 0,1 ln( x +3 ) + 0,1 0,1

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht davon aus, dass sie sich innerhalb von 35 Stunden verdoppelt. Zu Beobachtungsbeginn umfasste die Kultur 10 Milionen Bakterien. Bestimme den Funktionsterm der Exponentialfunktion, die die Bakterienanzahl in Milionen nach t Stunden angibt.

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Von der allgemeinen Exponentialfunktion f(t)= c · a t können wir den Anfangswert c = 10 direkt der Aufgabe entnehmen.

Um nun noch den Wachstumsfaktor a zu bestimmen, nutzen wir die Formel für die Verdopplungszeit: TV = loga(2).

Also 35 = loga(2). Nach der Definition des Logarithmus ist dies gleichbedeutend mit

a 35 = 2 | ⋅35
a = 2 35

Das gesuchte a ist somit 2 35 ≈ 1.02, der gesuchte Funktionsterm f(t)= 10⋅ 1,02 t

a und ein Funktionswert gegeben

Beispiel:

In einem Land hat man festgestellt, dass die Anzahl einer bestimmten Insektenart jedes Jahr um 15% abnimmt. 9 Jahre nach Beobachtungsbeginn werden nur noch 2,78 Millionen der Insekten geschätzt. a) Wie viele Millionen der Insekten gibt es in dem Land noch nach 6 Jahren? b) Wann erwartet man nur noch 3,8 Millionen dieser Insekten?

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Da es sich hier um exponentielles Wachstum handelt, muss der Funktionsterm von der Form f(t)= c · a t sein.

Die prozentuale Abnahme um 15% bedeutet ja, dass mit jedem Zeitschritt vom alten Bestand noch 15% weggehen,
also Bneu = B - 15 100 ⋅B = (1 - 15 100 ) ⋅ B = 0,85 ⋅ B. Somit ist das a=0,85.

Somit wissen wir bereits, dass der Funktionsterm f(t)= c · 0,85 t mit einem Anfangswert c sein muss.

Wir kennen zwar den Anfangswert f(0)=c nicht, wissen aber, dass nach 9 Jahre der Bestand 2.78 Millionen Insekten ist, also f(9) = 2.78. Dies setzen wir in unsern bisherigen Funktionterm f(t)= c · 0,85 t ein:

c ⋅ 0.859 = 2.78

c ⋅ 0.23162 = 2.78 | : 0.23162

c = 12

Damit ergibt sich der Funktionsterm f(t)= 12⋅ 0,85 t .

zu a)

Gesucht ist der Bestand zum Zeitpunkt t=6 Jahre, also f(6):

f(6) = 12⋅ 0,85 6 ≈ 4,526.

zu b)

Hier wird gefragt, wann der Bestand = 3.8 Millionen Insekten ist, also f(t) = 3.8:

12⋅ 0,85 t = 3,8 |:12
0,85 t = 0,3167 |lg(⋅)
lg( 0,85 t ) = lg( 0,3167 )
t · lg( 0,85 ) = lg( 0,3167 ) |: lg( 0,85 )
t = lg( 0,3167 ) lg( 0,85 )
t = 7,0749

Nach ca. 7,075 Jahre ist also der Bestand = 3.8 Millionen Insekten.