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Potenzen, Wurzeln, Logarithmus & Exponentialfunktionen

Logarithmus

Teaser – volle Lektion nach Anmeldung

Lernziele dieser Lektion

  • Sie verstehen, dass der Logarithmus die Umkehroperation der Potenz ist und können log⁡ab=x\log_a b = x sauber als „aa hoch was ergibt bb?" lesen
  • Sie kennen die drei wichtigen Logarithmen: Zehnerlogarithmus lg⁡\lg, natürlicher Logarithmus ln⁡\ln und Zweierlogarithmus ld⁡\operatorname{ld}
  • Sie wenden die drei Logarithmusgesetze (Produkt-, Quotienten- und Potenzregel) sicher an – auch ohne Taschenrechner
  • Sie führen einen Basiswechsel durch, um beliebige Logarithmen mit dem Taschenrechner auszurechnen
  • Sie erkennen, wo Logarithmen in Dezibel-, pH-, Richter-Skala und in der Informatik auftreten

Wozu braucht man den Logarithmus?

Der Logarithmus ist die Umkehroperation des Potenzierens – so wie die Subtraktion die Umkehrung der Addition ist und die Division die Umkehrung der Multiplikation. Er beantwortet die Frage:

Mit welchem Exponenten muss ich eine gegebene Basis potenzieren, um eine bestimmte Zahl zu erhalten?

Logarithmus im Berufsalltag

  • IT / Informatik: Der Binärlogarithmus log⁡2\log_2 gibt an, wie viele Bits eine Zahl darstellt – log⁡2(1 024)=10\log_2(1\,024) = 10, also 10 Bit für Werte bis 1 024
  • Elektrotechnik / Audio: Dezibel (dB) – das Gehör empfindet Lautstärke logarithmisch, daher wird der Schallpegel logarithmisch gemessen
  • Kaufmännisch / Finanzen: „Nach wie vielen Jahren verdoppelt sich ein Kapital?" wird mit dem Logarithmus beantwortet
  • Naturwissenschaft: pH-Wert (Chemie), Richter-Skala (Erdbeben), Sternhelligkeiten – alle sind logarithmische Skalen

Definition des Logarithmus

So ist der Logarithmus definiert

\log_a b = x \quad \Longleftrightarrow \quad a^x = b \qquad (a > 0,\ a \neq 1,\ b > 0)

BegriffSymbolBedeutungBeispiel log⁡28\log_2 8
BasisaaDie Grundzahl; muss a > 0,\ a \neq 1 sein2
NumerusbbDie Zahl, deren Logarithmus gesucht wird; muss b > 0 sein8
Logarithmus­wertxxDas Ergebnis – der Exponent33, denn 23=82^3 = 8
So liest man einen Logarithmus:
log⁡28=3\log_2 8 = 3 heißt: „2 hoch was ergibt 8?" – Antwort: 3, denn 23=82^3 = 8.
log⁡101 000=3\log_{10} 1\,000 = 3 heißt: „10 hoch was ergibt 1 000?" – Antwort: 3, denn 103=1 00010^3 = 1\,000.

Die drei wichtigen Logarithmen

Spezielle Logarithmen und ihre Schreibweisen

NameBasisSchreibweiseTypische Anwendung
Zehnerlogarithmus (dekadisch)a=10a = 10lg⁡b\lg b oder log⁡b\log bDezibel, pH-Wert, Richter-Skala
Natürlicher Logarithmusa=ea = eln⁡b\ln bNaturwissenschaft, Analysis, Zerfall
Zweierlogarithmusa=2a = 2ld⁡b\operatorname{ld} b oder log⁡2b\log_2 bInformatik (Bits, Binärbäume)

Auf dem Taschenrechner findet man meist nur lg⁡\lg (Taste log) und ln⁡\ln. Alle anderen Basen rechnet man über den Basiswechsel aus.

Grundlegende Beziehungen – auswendig kennen

Sofort-Werte, die sich direkt aus der Definition ergeben

log⁡a1=0(denn a0=1),log⁡aa=1(denn a1=a)\log_a 1 = 0 \quad (\text{denn } a^0 = 1), \qquad \log_a a = 1 \quad (\text{denn } a^1 = a)

alog⁡ab=b,log⁡a(an)=n(Log und Potenz heben sich gegenseitig auf)a^{\log_a b} = b, \qquad \log_a(a^n) = n \qquad (\text{Log und Potenz heben sich gegenseitig auf})

Speziell: lg⁡10=1, lg⁡100=2, lg⁡0,001=−3, ln⁡e=1, ln⁡1=0\lg 10 = 1,\ \lg 100 = 2,\ \lg 0{,}001 = -3,\ \ln e = 1,\ \ln 1 = 0.

Dies ist nur ein kurzer Auszug. Die vollständige Lektion mit interaktiven Übungen und Lernfortschritts-Tracking gibt es nach Einlösung eines Einschreibeschlüssels.