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2. Logarithmusgesetz einfach

Beispiel:

Vereinfache den Term $4 \lg (\sqrt{x})$ zu einem Vielfachen von $\lg (x)$ .

Es gilt mit dem Logarithmusgesetz log(a^b) = b⋅log(a):
$4 \lg (\sqrt{x})$
= $4 \lg (x^{\frac{1}{2}})$
= $2 \lg (x)$
= $2 \lg (x)$

Beide Logarithmusgesetze

Beispiel:

Vereinfache den Term $- \lg (\frac{1}{20} x^{11}) - \lg (\frac{1}{50 x^{3}}) + \lg (\frac{1}{1000} x^{4})$ soweit wie möglich.

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$- \lg (\frac{1}{20} x^{11}) - \lg (\frac{1}{50 x^{3}}) + \lg (\frac{1}{1000} x^{4})$

= $- \lg (\frac{1}{20} x^{11}) - \lg (\frac{1}{50} x^{- 3}) + \lg (\frac{1}{1000} x^{4})$

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

= $- (\lg (\frac{1}{20}) + \lg (x^{11})) - (\lg (\frac{1}{50}) + \lg (\frac{1}{x^{3}})) + (\lg (\frac{1}{1000}) + \lg (x^{4}))$

= $- \lg (\frac{1}{20}) - \lg (x^{11}) - \lg (\frac{1}{50}) - \lg (\frac{1}{x^{3}}) + \lg (\frac{1}{1000}) + \lg (x^{4})$

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

= $- \lg (\frac{1}{20}) - 11 \lg (x) - \lg (\frac{1}{50}) + 3 \lg (x) + \lg (\frac{1}{1000}) + 4 \lg (x)$

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

= $- \lg (1) + \lg (20) - 11 \lg (x) - \lg (1) + \lg (50) + 3 \lg (x) + \lg (1) - \lg (1 000) + 4 \lg (x)$

= $- 4 \lg (x) - \lg (1 000) + \lg (50) + \lg (20)$

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

= $- 4 \lg (x) + \lg (\frac{1}{1 000} \cdot 50 \cdot 20)$

= $- 4 \lg (x) + \lg (\frac{1}{20} \cdot 20)$

= $- 4 \lg (x) + \lg (1)$

= $- 4 \lg (x)$

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Beispiel:

Die Funktion f mit $f(x) =$ $4 e^{- 0,1 x + 0,3}$ ist auf ihrer maximalen Definitionsmenge umkehrbar.

Bestimme die maximale Definitionsmenge und die Wertemenge von f sowie einen Term für die Umkehrfunktion $\bar{f}$ .

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Maximale Definitionsmenge von f

Bei einer Exponentialfunktion kann man alle Werte für x einsetzen. (e⁰=1; e^-c= $\frac{1}{e^{c}}$ )

Für die maximale Definitionsmenge gilt somit: D = ℝ

Wertemenge von f

Der Exponent $- 0,1 x + 0,3$ ist eine lineare Funktion (Gerade), die jeden Wert zwischen -∞ und ∞ annehmen kann.

Wir wissen, dass $e^{- 0,1 x + 0,3}$ 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.

Auch mit dem positiven Koeffizienten $4$ vor $e^{- 0,1 x + 0,3}$ können die Funktionswerte von $4 e^{- 0,1 x + 0,3}$ alles zwischen 0 und ∞ annehmen.

Somit ist der Wertebereich von f: W = {y ∈ ℝ | y > 0}

Umkehrfunktion

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

$4 e^{- 0,1 x + 0,3}$	=	$y$	\|: $4$
$e^{- 0,1 x + 0,3}$	=	$\frac{1}{4} y$	\|ln(⋅)
$- 0,1 x + 0,3$	=	$\ln (\frac{1}{4} y)$

$- 0,1 x + 0,3$	=	$\ln (\frac{1}{4} y)$	\| $- 0,3$
$- 0,1 x$	=	$\ln (\frac{1}{4} y) - 0,3$	\|:( $- 0,1$ )
$x$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{1}{4} y) + \frac{0,3}{0,1}$

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 = $- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{1}{4} x) + \frac{0,3}{0,1}$

und erhalten so die Umkehrfunktion $\bar{f}$ (x) = $- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{1}{4} x) + \frac{0,3}{0,1}$

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

Beispiel:

In einem Land halbiert sich die Anzahl einer bestimmten Insektenart alle 7,3 Jahre. Zu Beginn der Beobachtung wurden 10 Millionen dieser Insekten geschätzt.Bestimme den Funktionsterm der Exponentialfunktion, die die Anzahl in Milionen der Insekten in Millionen nach t Jahren angibt.

Lösung einblenden

Von der allgemeinen Exponentialfunktion $f(t) =$ $c \cdot a^{t}$ können wir den Anfangswert c = 10 direkt der Aufgabe entnehmen.

Um nun noch den Wachstumsfaktor a zu bestimmen, nutzen wir die Formel für die Halbwertszeit: T_H = log_a( $\frac{1}{2}$ ).

Also 7.3 = log_a( $\frac{1}{2}$ ). Nach der Definition des Logarithmus ist dies gleichbedeutend mit

$a^{7,3}$	=	$\frac{1}{2}$	\| $\sqrt[7,3]{\cdot}$
$a$	=	${(\frac{1}{2})}^{\frac{1}{7,3}}$

Das gesuchte a ist somit ${(\frac{1}{2})}^{\frac{1}{7,3}}$ ≈ 0.91, der gesuchte Funktionsterm $f(t) =$ $10 \cdot {0,91}^{t}$

c und a gegeben

Beispiel:

Ein Staat verliert jedes Jahr 1,5% seiner Bevölkerung. Zu Beobachtungsbeginn hat das Land 65 Millionen Einwohner. a) Wie viel Millionen Einwohner hat der Staat noch nach 13 Jahren? b) Wann hat das Land nur noch 55 Millionen Einwohner?

Lösung einblenden

Da es sich hier um exponentielles Wachstum handelt, muss der Funktionsterm von der Form $f(t) =$ $c \cdot a^{t}$ sein.

Den Anfangswert f(0)=c=65 kann man direkt aus der Aufgabe heraus lesen.

Die prozentuale Abnahme um 1.5% bedeutet ja, dass mit jedem Zeitschritt vom alten Bestand noch 1.5% weggehen,
also B_neu = B - $\frac{1.5}{100}$ ⋅B = (1 - $\frac{1.5}{100}$ ) ⋅ B = 0,985 ⋅ B. Somit ist das a=0,985.

Damit ergibt sich der Funktionsterm $f(t) =$ $65 \cdot {0,985}^{t}$ .

zu a)

Gesucht ist der Bestand zum Zeitpunkt t=13 Jahre, also f(13):

f(13) = $65 \cdot {0,985}^{13}$ ≈ 53,405.

zu b)

Hier wird gefragt, wann der Bestand = 55 Millionen Einwohner ist, also f(t) = 55:

$65 \cdot {0,985}^{t}$	=	$55$	\|: $65$
${0,985}^{t}$	=	$\frac{11}{13}$	\|lg(⋅)
$\lg ({0,985}^{t})$	=	$\lg (\frac{11}{13})$
$t \cdot \lg (0,985)$	=	$\lg (\frac{11}{13})$	\|: $\lg (0,985)$
$t$	=	$\frac{\lg (\frac{11}{13})}{\lg (0,985)}$

t

=

11,0532

Nach ca. 11,053 Jahre ist also der Bestand = 55 Millionen Einwohner.

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2. Logarithmusgesetz einfach

Beide Logarithmusgesetze

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Maximale Definitionsmenge von f

Wertemenge von f

Umkehrfunktion

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

c und a gegeben