Schwerpunktfach · Lerngebiet 3 · Funktionen · 55 Lektionen

3.4b Logarithmusfunktionen

RLP 3.4 · Teil 2 von 2

Logarithmusfunktionen \(f(x) = \log_a x\) sind die Umkehrfunktionen der Exponentialfunktionen: Sie beantworten die Frage „mit welchem Exponenten wird aus der Basis \(a\) der Wert \(x\)?". Hier lernst du, wie der Graph durch Spiegelung an der Winkelhalbierenden entsteht, welche Eigenschaften sich daraus ergeben, wie Verschieben und Strecken funktioniert — und warum logarithmische Skalen (Lautstärke, pH-Wert, C-14-Datierung) so nützlich sind.

📋 Kompetenzen nach RLP 2030 — Teilgebiet 3.4
  • Exponentialfunktionen \(f : x \longmapsto a^x\) mit \(a \in \mathbb{R}^+,\ a \neq 1\) grafisch darstellen auch ohne Hilfsmittel
  • Wachstums-, Zerfalls- und Sättigungsprozesse mit Hilfe von Exponentialfunktionen interpretieren, modellieren, visualisieren und berechnen auch ohne Hilfsmittel
  • die natürliche Exponentialfunktion (e-Funktion) visualisieren, Basiswechsel zu beliebiger Basis durchführen auch ohne Hilfsmittel
  • die Logarithmusfunktion als Umkehrfunktion der Exponentialfunktion berechnen und visualisieren auch ohne Hilfsmittel

Diese Seite behandelt die vierte Kompetenz: die Logarithmusfunktion als Umkehrfunktion. Die Exponentialfunktionen als Grundlage werden in Teil 1 (s3-4a) behandelt.

🎯 Lernziele — das kann ich nach dieser Seite
  • Ich kann die Logarithmusfunktion \(f(x) = \log_a x\) als Umkehrfunktion der Exponentialfunktion herleiten und ihre Definitions- und Wertemenge angeben.
  • Ich kann den Graphen von \(\log_a x\) durch Spiegelung des Graphen von \(a^x\) an der Winkelhalbierenden \(y = x\) konstruieren.
  • Ich kann die Nullstelle \(x_0 = 1\), den gemeinsamen Punkt \((1 \mid 0)\) und die vertikale Asymptote aller Logarithmuskurven begründen.
  • Ich kann die Wirkung der Parameter in \(k \cdot \log_a(x-u) + v\) beschreiben und weiss, dass Streckung in \(y\)-Richtung einem Basiswechsel entspricht.
  • Ich kann jede Logarithmusfunktion mit \(\ln\) oder \(\lg\) schreiben (Basiswechsel) und Umkehrfunktionen von Exponential- und Logarithmusfunktionen berechnen.
  • Ich kann logarithmische Skalen in Anwendungen deuten (Lautstärke, pH-Wert, radiometrische Datierung).

Einstieg — die Umkehrfrage

In Teil 1 wuchs eine Bakterienkultur nach \(N(t) = 2^t\) (in Tausend). Dort war die Frage: Wie viele Bakterien sind es nach \(t\) Stunden? Jetzt drehen wir die Frage um:

Wie lange dauert es, bis eine vorgegebene Bakterienzahl \(y\) erreicht ist?

Gesucht ist also der Exponent \(t\) mit \(2^t = y\) — und genau diese Frage beantwortet der Logarithmus:

\[ t = \log_2 y \]

⏱ Wartezeit bis zur Zielmenge: \(t = \log_2 y\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Jede Verdopplung des Ziels kostet nur +1 Stunde — typisch Logarithmus: Er macht aus Faktoren Summanden. Die Kurve steigt darum immer langsamer, wächst aber trotzdem über alle Grenzen.

Zielmenge \(y\) in Tausend · Wartezeit \(t = \log_2 y\) in Stunden

64
Umkehrfrage und Antwort
2t = y ⇒ t = log₂(y)
t = log₂(64) = 6.00 h
📘 Was sehen wir?

Die Wartezeit \(t\) als Funktion der Zielmenge \(y\) ist die Umkehrung des exponentiellen Wachstums:

  • Verdopplung der Zielmenge → immer +1 Stunde: Der Logarithmus verwandelt den Faktor \(2\) in den Summanden \(1\).
  • Die Kurve steigt anfangs steil und wird immer flacher — genau spiegelbildlich zur Exponentialkurve.
✏️ Mini-Check — Einstieg
Multiple Choice

Die Zielmenge wird verachtfacht. Um wie viele Stunden wächst die Wartezeit \(t = \log_2 y\)?

  • um 8 Stunden
  • um 3 Stunden
  • um den Faktor 8
Lösung anzeigen
B. \(\log_2(8y) = \log_2 8 + \log_2 y = 3 + \log_2 y\) — der Faktor \(8 = 2^3\) wird zum Summanden \(3\).
Lückentext

Der Logarithmus \(\log_2 y\) beantwortet die Frage: Mit welchem wird aus der Basis \(2\) der Wert \(y\)?

Lösung anzeigen
Exponenten — \(\log_2 64 = 6\), denn \(2^6 = 64\).
Kurze Rechnung

Berechne \(\log_2 256\) ohne Taschenrechner.

Lösung anzeigen
\(2^8 = 256\), also \(\log_2 256 = 8\).
Transfer

Warum ist \(\log_2 y\) für \(y = 0\) oder negative \(y\) nicht definiert?

Lösungsweg anzeigen
Gesucht wäre ein Exponent \(t\) mit \(2^t = 0\) bzw. \(2^t < 0\). Beides ist unmöglich, denn \(2^t > 0\) für alle \(t\) (Teil 1: Wertemenge \(\mathbb{R}^+\)). Darum ist die Definitionsmenge der Logarithmusfunktion \(\mathbb{R}^+\).

Definition — die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion

Die Funktionsgleichung der Umkehrfunktion erhalten wir in zwei Schritten: Wir lösen \(y = a^x\) durch Logarithmieren nach \(x\) auf und vertauschen anschliessend die Variablen:

\[ y = a^x \;\Longrightarrow\; \log_a y = \log_a a^x = x \qquad \xrightarrow{\ \text{Variablentausch}\ } \qquad f^{-1}:\ y = \log_a x \]
📘 Definition — Logarithmusfunktion

Eine Funktion \(f : \mathbb{R}^+ \longrightarrow \mathbb{R}\) mit einer Gleichung der Form

\[ y = f(x) = \log_a x, \qquad a \in \mathbb{R}^+,\quad a \neq 1 \]

heisst Logarithmusfunktion mit der Basis \(a\). Sie ist die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion \(y = a^x\).

💡 Werkzeugkasten

Für den Umgang mit Logarithmusfunktionen sind die Logarithmengesetze zentral — sie werden auf der Seite ↩ 1.3 Logarithmen behandelt. Definitions- und Wertemenge tauschen beim Umkehren die Rollen: \(D_{f^{-1}} = W_f = \mathbb{R}^+\) und \(W_{f^{-1}} = D_f = \mathbb{R}\).

Grafisch entsteht der Graph der Umkehrfunktion durch Spiegelung an der Winkelhalbierenden \(y = x\):

Spiegelung an der Winkelhalbierenden: \(a^x \leftrightarrow \log_a x\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Spiegeln vertauscht die Koordinaten: \((0 \mid 1) \to (1 \mid 0)\). Darum hat jede Logarithmuskurve die Nullstelle \(x_0 = 1\), und aus der horizontalen Asymptote (\(x\)-Achse) wird die vertikale Asymptote (\(y\)-Achse).

Basis \(a \in \{2;\, e;\, 10;\, \tfrac{1}{2}\}\) · Winkelhalbierende \(y = x\) gestrichelt · 1:1-Skalierung

Funktion und Umkehrfunktion
y = 2ˣ · y = log₂(x)
✏️ Mini-Check — Definition und Spiegelung
Multiple Choice

Welche Definitionsmenge hat die Logarithmusfunktion \(y = \log_a x\)?

  • \(D = \mathbb{R}\)
  • \(D = \mathbb{R}^+\)
  • \(D = \mathbb{R} \setminus \{0\}\)
Lösung anzeigen
B. Nur positive Zahlen haben einen Logarithmus — \(D_{f^{-1}}\) ist die Wertemenge \(\mathbb{R}^+\) der Exponentialfunktion.
Lückentext

Der Graph der Logarithmusfunktion entsteht aus dem Graphen der Exponentialfunktion durch Spiegelung an der .

Lösung anzeigen
Winkelhalbierenden \(y = x\) — wie bei jeder Umkehrfunktion.
Kurze Rechnung

Bestimme die Umkehrfunktion von \(f:\ y = 3^x\).

Lösung anzeigen
Auflösen: \(x = \log_3 y\), Variablentausch: \(f^{-1}:\ y = \log_3 x\).
Transfer

Der Punkt \(P = (2 \mid 9)\) liegt auf dem Graphen von \(y = 3^x\). Welcher Punkt liegt damit sicher auf dem Graphen von \(y = \log_3 x\)?

Lösungsweg anzeigen
Die Spiegelung an \(y = x\) vertauscht die Koordinaten: \(P' = (9 \mid 2)\). Kontrolle: \(\log_3 9 = 2\) ✓

Eigenschaften — alles spiegelbildlich zur Exponentialfunktion

Eigenschaften\(y = f(x) = \log_a x\), \(a > 0\) und \(a \neq 1\)
Definitionsmenge\(D = \mathbb{R}^+\)
Wertemenge\(W = \mathbb{R}\)
Gemeinsamer Punkt\((1 \mid 0)\)
Ordinatenabschnitt
Nullstelle\(x_0 = 1\)
Symmetrienkeine
Verlauf\(a > 1\): Kurve steigt von links nach rechts\(a < 1\): Kurve fällt von links nach rechts
Asymptote\(y\)-Achse (\(x = 0\))

Typen der Logarithmusfunktionen

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Alle Kurven laufen durch \((1 \mid 0)\) und schmiegen sich an die \(y\)-Achse an. Je grösser die Basis, desto flacher der Anstieg. \(\log_{1/2} x = -\log_2 x\) ist die an der \(x\)-Achse gespiegelte Kurve.

Klicke auf eine Funktion — ihr Graph mit dem gemeinsamen Punkt wird angezeigt:

Die log-Leiter — warum der Logarithmus Grössenordnungen misst

Der Logarithmus verwandelt Multiplizieren in Addieren: gleiche Faktoren werden zu gleichen Abständen. Deshalb tragen Skalen für Erdbeben (Richter), Lautstärke (Dezibel) oder Säuregrad (pH) den Logarithmus schon eingebaut. Schiebe den Wert \(x\) und vergleiche seine Lage auf der gewöhnlichen und auf der logarithmischen Achse.

log-Leiter — lineare gegen logarithmische Achse

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Auf der linearen Achse drängen sich die kleinen Zahlen zusammen, während \(1000\) ganz aussen sitzt. Auf der log-Achse liegt jede Verzehnfachung gleich weit auseinander — der Abstand ist \(\lg x\). Multiplizieren mit \(10\) heisst dort: einen festen Schritt nach rechts. So macht der Logarithmus Grössenordnungen sichtbar.

Oben lineare Achse (0…1000) · unten log-Achse (10⁰…10³) · Zeiger bei \(x\) · \(\lg x\) als Abstand

100
Ablesen
x = 100 · lg(100) = 2
✏️ Mini-Check — Eigenschaften
Multiple Choice

Welche Aussage trifft auf alle Logarithmusfunktionen \(y = \log_a x\) zu?

  • Sie haben die Nullstelle \(x_0 = 1\).
  • Sie haben den Ordinatenabschnitt \(y_0 = 1\).
  • Die \(x\)-Achse ist Asymptote.
Lösung anzeigen
A. \(\log_a 1 = 0\) für jede Basis. Einen Ordinatenabschnitt gibt es nicht (bei \(x = 0\) nicht definiert), und die Asymptote ist die \(y\)-Achse.
Lückentext

Die Logarithmuskurve schmiegt sich an die an — sie ist die vertikale Asymptote.

Lösung anzeigen
\(y\)-Achse — gespiegeltes Gegenstück zur horizontalen Asymptote der Exponentialkurve.
Kurze Rechnung

Berechne \(\log_5 125\) und \(\log_5 \tfrac{1}{5}\) ohne Taschenrechner.

Lösung anzeigen
\(5^3 = 125 \Rightarrow \log_5 125 = 3\) und \(5^{-1} = \tfrac{1}{5} \Rightarrow \log_5 \tfrac{1}{5} = -1\).
Transfer

Hat die Logarithmusfunktion eine horizontale Asymptote? Die Kurve wird doch immer flacher …

Lösungsweg anzeigen
Nein! Die Wertemenge ist \(W = \mathbb{R}\): Zu jedem noch so grossen \(y\) gibt es ein \(x = a^y\) mit \(\log_a x = y\). Die Kurve steigt immer langsamer, aber über alle Grenzen — flach werden ist nicht dasselbe wie beschränkt sein.

Schieben, Strecken und die ln-Funktion

📘 Transformationen: \(y = k \cdot \log_a(x-u) + v\)
ParameterWirkung auf den Graphen von \(y = \log_a x\)
\(u\)Verschiebung um \(u\) in \(x\)-Richtung — die vertikale Asymptote wandert mit zu \(x = u\)
\(v\)Verschiebung um \(v\) in \(y\)-Richtung (nach oben für \(v > 0\))
\(|k|\)Streckung (\(|k| > 1\)) bzw. Stauchung (\(|k| < 1\)) in \(y\)-Richtung
\(k < 0\)zusätzlich Spiegelung an der \(x\)-Achse

Die Nullstelle der verschobenen Kurve liegt bei \(x_0 = u + a^{-v/k}\).

📘 Besonderheit 1 — Streckung in \(y\)-Richtung = Basiswechsel

Eine Streckung des Graphen von \(f(x) = \log_a x\) mit Faktor \(k\) in \(y\)-Richtung lässt sich als Logarithmusfunktion mit neuer Basis schreiben:

\[ h(x) = k \cdot \log_a x = \frac{\log_a x}{\log_a c} = \log_c x \qquad \text{wenn } k \cdot \log_a c = 1 \]

Alle Logarithmuskurven sind also nur vertikal gestreckte Kopien voneinander.

📘 Besonderheit 2 — Streckung in \(x\) = Verschiebung in \(y\)

Wird das Argument mit \(b\) multipliziert (Streckung um \(\tfrac{1}{b}\) in \(x\)-Richtung), liefern die Logarithmengesetze:

\[ h(x) = \log_a(b \cdot x) = \log_a x + \underbrace{\log_a b}_{v} = \log_a x + v \]

Horizontale Streckung und vertikale Verschiebung sind bei Logarithmusfunktionen dieselbe Abbildung — das Gegenstück zur Besonderheit der Exponentialfunktionen aus Teil 1.

Verschobene Logarithmuskurve: \(y = \log_a(x-u) + v\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Die vertikale Asymptote folgt \(u\): Sie liegt bei \(x = u\), die Kurve existiert nur rechts davon. Die Nullstelle liegt bei \(x_0 = u + a^{-v}\); ihr Abstand \(a^{-v}\) zur Asymptote \(x = u\) wird bei jedem Schritt in \(v\) mit dem Faktor \(a^{-1}\) multipliziert.

Basis \(a \in \{2;\, e;\, 10\}\) · Verschiebung \(u\), \(v\) · Asymptote gestrichelt · Nullstelle markiert

0
1
Funktionsgleichung, Asymptote und Nullstelle
y = log₂(x) + 1
Asymptote: x = 0 · Nullstelle: x₀ = 0.5
📘 Definition — Natürliche Logarithmusfunktion (ln-Funktion)

Die Logarithmusfunktion mit der irrationalen Basis \(e \approx 2.71828\):

\[ y = f(x) = \log_e x = \ln x \]

Mit dem Basiswechsel lässt sich jede Logarithmusfunktion durch die ln-Funktion ausdrücken:

\[ \log_a x = \frac{\ln x}{\ln a} = k \cdot \ln x \qquad \text{mit } k = \frac{1}{\ln a} \]

Darum genügen dem Taschenrechner die Tasten ln und log (= \(\lg\), Basis 10).

🟢 Beispiel 1 — Umkehrfunktion einer verschobenen Exponentialfunktion

Gegeben sei \(f:\ y = 5^x - 4\). (a) Berechne die Umkehrfunktion \(f^{-1}\). (b) Wo liegt die Nullstelle von \(f^{-1}\)?

Lösung:

(a) Nach \(x\) auflösen: \(y + 4 = 5^x \Rightarrow x = \log_5(y + 4)\). Variablentausch:

\[ f^{-1}:\ y = \log_5(x + 4) \]

(b) \(0 = \log_5(x+4) \Rightarrow x + 4 = 5^0 = 1 \Rightarrow x_0 = -3\).

🟢 Beispiel 2 — Identische Funktionen erkennen

Welche der Funktionen sind identisch? \(f_1(x) = \tfrac{3}{4}\log_5 x\), \(f_2(x) = 3\log_{125} x\), \(f_3(x) = \tfrac{2}{3}\lg x\), \(f_4(x) = 3\log_{625} x\)

Lösung: Basiswechsel auf die Basis \(5\):

\[ f_2(x) = 3 \cdot \frac{\log_5 x}{\log_5 125} = 3 \cdot \frac{\log_5 x}{3} = \log_5 x \qquad f_4(x) = 3 \cdot \frac{\log_5 x}{\log_5 625} = 3 \cdot \frac{\log_5 x}{4} = \tfrac{3}{4}\log_5 x \]

Also ist \(f_1 = f_4\). \(f_3\) hat nach dem Basiswechsel den Faktor \(\tfrac{2}{3 \log_5 10}\) — keine Übereinstimmung.

🟢 Beispiel 3 — Umkehrfunktion einer Logarithmusfunktion

Bestimme die Umkehrfunktion von \(f:\ y = 2\ln(x+5) - 3\).

Lösung: Nach \(x\) auflösen:

\[ y + 3 = 2\ln(x+5) \;\Longrightarrow\; \ln(x+5) = \frac{y+3}{2} \;\Longrightarrow\; x = e^{\frac{y+3}{2}} - 5 \]

Variablentausch: \(f^{-1}:\ y = e^{\frac{x+3}{2}} - 5\) — die Umkehrfunktion einer Logarithmusfunktion ist eine Exponentialfunktion.

🟢 Beispiel 4 — Sättigungsprozess: die Zeit bestimmen

Der Kaffee aus Teil 1 (3.4a) kühlt nach dem Modell für beschränktes Wachstum \(f(t) = 20 + 60\,e^{-kt}\) mit \(k = \tfrac{\ln 2}{10}\). Nach welcher Zeit ist er auf \(30\,°\text{C}\) abgekühlt?

Lösung: Die Unbekannte steht im Exponenten — nach dem Isolieren der e-Potenz hilft der natürliche Logarithmus:

\[ 30 = 20 + 60\,e^{-kt} \;\Rightarrow\; e^{-kt} = \tfrac{1}{6} \;\Rightarrow\; -kt = \ln\tfrac{1}{6} = -\ln 6 \;\Rightarrow\; t = \frac{\ln 6}{k} = \frac{10\ln 6}{\ln 2} \approx 25.8\ \text{min} \]

So löst der Logarithmus die Sättigungsprozesse aus 3.4a nach der Zeit auf.

Radiokarbon-Datierung — vom Restanteil zum Alter

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Der Zerfall folgt \(\tfrac{N}{N_0} = \left(\tfrac{1}{2}\right)^{t/T}\) mit der Halbwertszeit \(T = 5730\) Jahren. Nach der Zeit aufgelöst: \(t = T\cdot\log_{1/2}\!\tfrac{N}{N_0} = T\cdot\dfrac{\ln(N/N_0)}{\ln(1/2)}\). Jede Halbierung kostet gleich viel Zeit — \(T\) —, egal bei welchem Ausgangswert. Genau darum ist der Logarithmus das Werkzeug für Zerfallsalter.

Restanteil \(N/N_0\) einstellen · Zerfallskurve mit abgelesenem Alter · Halbwertszeit \(T = 5730\) a

50%
Alter der Probe
t = 5730 · log(1/2)(0.50) = 5730 a
⚠ Häufiger Fehler — Logarithmus von null oder negativen Zahlen

\(\lg(-10)\) und \(\ln 0\) existieren nicht: Die Definitionsmenge ist \(\mathbb{R}^+\). Bei verschobenen Funktionen wie \(y = \log_2(x-3)\) muss das Argument positiv sein: \(x - 3 > 0\), also \(D = \{x \mid x > 3\}\) — nicht \(x > 0\)!

⚠ Häufiger Fehler — „Die Kurve wird flach, also ist sie beschränkt"

Die Logarithmuskurve hat keine horizontale Asymptote: \(\ln x\) überschreitet jeden Wert, nur eben sehr spät (\(\ln x = 10\) erst bei \(x = e^{10} \approx 22\,026\)). Beschränkt wachsend und langsam wachsend sind zwei verschiedene Dinge.

💡 Strategie — Umkehrfunktionen bestimmen

Immer gleich vorgehen: (1) Funktionsgleichung nach \(x\) auflösen — bei \(x\) im Exponenten durch Logarithmieren, bei \(x\) im Logarithmus durch Exponenzieren. (2) Variablen \(x\) und \(y\) vertauschen. Kontrolle: Definitions- und Wertemenge müssen die Rollen tauschen.

✏️ Mini-Check — Transformationen und ln-Funktion
Multiple Choice

Welche vertikale Asymptote hat \(y = \ln(x + 2)\)?

  • \(x = 2\)
  • \(x = -2\)
  • \(y = -2\)
Lösung anzeigen
B. \(x + 2 = x - (-2)\), also \(u = -2\): Verschiebung um \(2\) nach links, Asymptote \(x = -2\).
Lückentext

Jede Logarithmusfunktion lässt sich als \(k \cdot \ln x\) schreiben — mit dem Streckfaktor \(k = \) .

Lösung anzeigen
\(\dfrac{1}{\ln a}\) — das ist der Basiswechsel \(\log_a x = \dfrac{\ln x}{\ln a}\).
Kurze Rechnung

Bestimme die maximale Definitionsmenge von \(y = \lg(2x - 6)\).

Lösung anzeigen
\(2x - 6 > 0 \Rightarrow x > 3\), also \(D = \{x \in \mathbb{R} \mid x > 3\}\).
Transfer

Zeige, dass \(y = \ln(x^2)\) für \(x > 0\) eine gestreckte ln-Funktion ist. Mit welchem Faktor?

Lösungsweg anzeigen
Logarithmengesetz: \(\ln(x^2) = 2\ln x\) — Streckung mit Faktor \(2\) in \(y\)-Richtung. (Achtung: Für \(x < 0\) ist \(\ln(x^2)\) ebenfalls definiert, \(2 \ln x\) aber nicht — die Umformung gilt nur für \(x > 0\).)

Aufgaben

🟠 A1Logarithmusfunktion am Graphen erkennen

Wähle einen Graphen und entscheide, welche Funktionsgleichung dazu passt.

A1 · Logarithmusfunktion am Graphen erkennen
💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Jede Funktion \(y = \log_a x\) hat die Nullstelle \((1\mid 0)\) und die \(y\)-Achse als senkrechte Asymptote; eine Basis kleiner als \(1\) dreht die Kurve nach unten. Bei \(\log_2(x-2)\) wandern Asymptote und Nullstelle gemeinsam um \(2\) nach rechts. Graph 4 ist die Exponentialfunktion \(2^x\): Sie hat eine waagrechte Asymptote statt einer senkrechten — die beiden Bilder sind Spiegelbilder an \(y = x\).

Welche Gleichung gehört zum angezeigten Graphen?

🟠 A2Graphen skizzieren

Skizziere die folgenden Graphen von Hand auf Häuschenpapier. Nutze die Nullstelle der Grundfunktion, die Asymptote und je einen weiteren Stützpunkt. Vergleiche danach mit der Lösung.

  1. \(y = \ln x + 1\)
  2. \(y = -\lg x\)
  3. \(y = \log_2(x - 2)\) (mit Asymptote!)
🟢 Lösung
  1. Blau: \(\ln x\), um \(1\) nach oben verschoben; Nullstelle bei \(x_0 = e^{-1} \approx 0.37\), Asymptote \(x = 0\).
  2. Grün: \(\lg x\), an der \(x\)-Achse gespiegelt; fällt, Nullstelle bleibt bei \(x_0 = 1\), Asymptote \(x = 0\).
  3. Violett: \(\log_2 x\), um \(2\) nach rechts verschoben; Asymptote \(x = 2\) (gestrichelt), Nullstelle bei \(x_0 = 3\).
🟠 A3Rechnen mit Logarithmusfunktionen
🟠 a) Nullstellen bestimmen

Berechne die Nullstellen von \(f:\ y = \ln x - 1\) und \(g:\ y = \lg(x + 3)\).

🟢 Lösung
  1. \(\ln x = 1 \Rightarrow x_0 = e^1 = e \approx 2.718\)
  2. \(\lg(x+3) = 0 \Rightarrow x + 3 = 10^0 = 1 \Rightarrow x_0 = -2\)
🟠 b) Basiswechsel

Bringe \(y = 3 \cdot \log_2 x\) in die Form \(y = k \cdot \lg x\). Bestimme \(k\).

🟢 Lösung
\[ 3 \log_2 x = 3 \cdot \frac{\lg x}{\lg 2} = \frac{3}{\lg 2} \cdot \lg x \approx 9.97 \cdot \lg x \]

Jede Logarithmusfunktion ist eine gestreckte \(\lg\)-Funktion.

🟠 c) Parameter aus einem Punkt

Die Kurve \(y = k \cdot \log_4 x\) geht durch \(P = \left(\sqrt{2} \,\middle|\, \tfrac{3}{4}\right)\). Bestimme \(k\).

🟢 Lösung

Wegen \(\sqrt{2} = 2^{1/2} = 4^{1/4}\) ist \(\log_4 \sqrt{2} = \tfrac{1}{4}\). Einsetzen:

\[ \tfrac{3}{4} = k \cdot \tfrac{1}{4} \;\Longrightarrow\; k = 3 \]
🟠 d) Nullstelle und Ordinatenabschnitt

Gegeben ist \(g:\ y = -\tfrac{5}{2} \cdot \lg(x + 3) + 5\). Berechne die Nullstelle und den Ordinatenabschnitt.

🟢 Lösung

Nullstelle: \(-\tfrac{5}{2}\lg(x+3) + 5 = 0 \Rightarrow \lg(x+3) = 2 \Rightarrow x + 3 = 10^2 \Rightarrow x_0 = 97\).

Ordinatenabschnitt: \(y_0 = g(0) = -\tfrac{5}{2}\lg 3 + 5 \approx -2.5 \cdot 0.477 + 5 \approx 3.81\).

🟠 e) Umkehrfunktion

Bestimme die Umkehrfunktion von \(f:\ y = 2\ln(x + 5) - 3\) und werte \(f^{-1}(0)\) aus.

🟢 Lösung

Auflösen nach \(x\) (siehe Beispiel 3): \(f^{-1}:\ y = e^{\frac{x+3}{2}} - 5\). Auswerten:

\[ f^{-1}(0) = e^{3/2} - 5 \approx 4.482 - 5 \approx -0.52 \]
🟠 A4Lautstärke — das Weber-Fechner-Gesetz

Der Schallpegel \(L\) (in Dezibel, dB) wächst nicht proportional, sondern logarithmisch zur Schallintensität \(J\):

\[ L = 10 \cdot \lg\frac{J}{J_0} \qquad J_0: \text{Hörschwelle} \]
  1. Welche Lautstärken gehören zu \(J = J_0\), \(J = 10 \cdot J_0\), \(J = 100 \cdot J_0\), \(J = 10^n \cdot J_0\)?
  2. Ein Motorrad erzeugt \(80\) dB. Welche Schallintensität ist das, ausgedrückt als Vielfaches von \(J_0\)?
  3. Das Ticken einer Armbanduhr misst \(20\) dB. Um wie viele dB erhöht sich die Lautstärke, wenn zu einer Uhr eine zweite dazukommt? (Intensitäten addieren sich.)
🟢 Lösung
  1. \(L(J_0) = 10 \lg 1 = 0\), \(L(10 J_0) = 10\), \(L(100 J_0) = 20\), allgemein \(L(10^n J_0) = 10n\) dB — jede Verzehnfachung der Intensität gibt \(+10\) dB.
  2. \(80 = 10 \lg\frac{J}{J_0} \Rightarrow \lg\frac{J}{J_0} = 8 \Rightarrow J = 10^8 \cdot J_0\) — hundert Millionen Mal die Hörschwelle.
  3. Zwei Uhren: \(L = 10\lg\frac{2 J_1}{J_0} = 10\lg\frac{J_1}{J_0} + 10\lg 2 \approx 20 + 3.01\) — der Zuwachs beträgt nur \(\approx 3\) dB, obwohl sich die Intensität verdoppelt. (Bei \(100\) Uhren bringt eine weitere sogar nur noch \(10\lg\frac{101}{100} \approx 0.04\) dB.)
🟠 A5pH-Wert

Der pH-Wert einer Lösung ist der negative Zehnerlogarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration \(c\) (in mol/l):

\[ \text{pH} = -\lg c \]
  1. Reines Wasser hat \(c = 10^{-7}\) mol/l. Berechne den pH-Wert.
  2. Essig hat einen pH-Wert von \(2.5\). Berechne die Konzentration \(c\).
  3. Um welchen Faktor ist die Konzentration bei pH \(4\) grösser als bei pH \(7\)?
🟢 Lösung
  1. \(\text{pH} = -\lg 10^{-7} = 7\) — neutral.
  2. \(2.5 = -\lg c \Rightarrow c = 10^{-2.5} \approx 0.00316\) mol/l (Umkehrung: Exponenzieren).
  3. \(\dfrac{10^{-4}}{10^{-7}} = 10^{3} = 1000\) — drei pH-Stufen sind Faktor \(1000\): Die pH-Skala ist logarithmisch.
🟠 A6C-14-Methode — Altersbestimmung

Das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 zerfällt mit einer Halbwertszeit von \(5730\) Jahren. Für den verbleibenden Anteil gilt:

\[ \frac{N(t)}{N_0} = 0.5^{\,t/5730} \]
  1. Kontrolliere: Welcher Anteil ist nach \(5730\) Jahren übrig?
  2. In einem Fundstück werden noch \(70\) % des ursprünglichen C-14-Gehalts gemessen. Wie alt ist es? (Nach \(t\) auflösen — logarithmieren!)
  3. Warum braucht diese Rechnung zwingend den Logarithmus?
🟢 Lösung
  1. \(0.5^{5730/5730} = 0.5^1 = 0.5\) — die Hälfte, wie es die Halbwertszeit verlangt. ✓
  2. \(0.5^{t/5730} = 0.7\). Logarithmieren: \(\dfrac{t}{5730} = \log_{0.5} 0.7 = \dfrac{\ln 0.7}{\ln 0.5} \approx 0.5146\), also \(t \approx 5730 \cdot 0.5146 \approx 2949\) Jahre.
  3. Die Unbekannte \(t\) steht im Exponenten — nur der Logarithmus holt sie herunter. Ohne ihn bliebe nur systematisches Probieren.
🟠 A7Eine Kurve, viele Namen Vertiefung

Alle Logarithmusfunktionen sind vertikal gestreckte Kopien voneinander — dieselbe Kurve kann darum unter verschiedenen Namen auftreten.

  1. Zeige allgemein: Jede Funktion \(y = \log_a x\) lässt sich in der Form \(y = k \cdot \lg x\) schreiben. Wie hängt \(k\) von \(a\) ab?
  2. Welche der folgenden Funktionen sind identisch? \(g_1(x) = \tfrac{1}{2}\log_3 x\), \(g_2(x) = 2\log_{81} x\), \(g_3(x) = 3\log_{27} x\)
  3. Erkläre, warum dem Taschenrechner die zwei Tasten ln und log genügen, um jeden Logarithmus zu berechnen.
🟢 Lösung
  1. Basiswechsel: \(\log_a x = \dfrac{\lg x}{\lg a} = k \cdot \lg x\) mit \(k = \dfrac{1}{\lg a}\).
  2. Basiswechsel auf Basis \(3\): \(g_2(x) = 2 \cdot \dfrac{\log_3 x}{\log_3 81} = 2 \cdot \dfrac{\log_3 x}{4} = \tfrac{1}{2}\log_3 x\) und \(g_3(x) = 3 \cdot \dfrac{\log_3 x}{\log_3 27} = 3 \cdot \dfrac{\log_3 x}{3} = \log_3 x\). Also ist \(g_1 = g_2\), während \(g_3\) doppelt so stark gestreckt ist.
  3. Jeder Logarithmus ist ein Quotient zweier natürlicher (oder Zehner-) Logarithmen: \(\log_a x = \dfrac{\ln x}{\ln a}\). Beispiel: \(\log_7 50 = \dfrac{\ln 50}{\ln 7} \approx 2.01\).

Zusammenfassung

⭐ Merksatz

Die Logarithmusfunktion \(y = \log_a x\) ist die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion: Ihr Graph ist die an der Winkelhalbierenden \(y = x\) gespiegelte Exponentialkurve. Dabei tauschen alle Eigenschaften die Rollen — aus \((0 \mid 1)\) wird \((1 \mid 0)\), aus der horizontalen die vertikale Asymptote, aus \(D = \mathbb{R}\) wird \(D = \mathbb{R}^+\). Der Logarithmus macht aus Faktoren Summanden; alle Logarithmuskurven sind vertikal gestreckte Kopien voneinander (\(\log_a x = \tfrac{\ln x}{\ln a}\)).

Eigenschaft\(y = a^x\) (Teil 1)\(y = \log_a x\) (Teil 2)
\(D\)\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R}^+\)
\(W\)\(\mathbb{R}^+\)\(\mathbb{R}\)
Gemeinsamer Punkt\((0 \mid 1)\)\((1 \mid 0)\)
Nullstelle\(x_0 = 1\)
Asymptote\(x\)-Achse (\(y = 0\))\(y\)-Achse (\(x = 0\))
Verlauf \(a > 1\)steigend, immer steilersteigend, immer flacher
Spezialfall Basis \(e\)\(e^x\) (e-Funktion)\(\ln x\) (ln-Funktion)

Zusatzmaterial

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Externe Videos & Aufgabensammlungen

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