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Ableitungen von Exponential- und Logarithmusfunktionen

Ableitung von 2ˣ und aˣ: Formel, Beweis und Beispiele

Die Ableitung von 2ˣ ist 2ˣ ln 2, die von aˣ ist aˣ ln a. Mit Beweis über die Umformung aˣ = e^(x ln a), Beispielen zur Kettenregel und einem Graphen.

Ableitungen von Exponential- und Logarithmusfunktionen Aktualisiert 2 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\frac{d}{dx}\,2^x = 2^x\ln 2
Ableitung von 2ˣ
2^x\ln 2 \approx 0.693\cdot 2^x
Allgemeine Basis
\dfrac{d}{dx}a^x = a^x\ln a für a > 0
Mit Kettenregel
\dfrac{d}{dx}a^u = a^u\ln a\cdot u'
Entscheidende Umformung
a^x = e^{x\ln a}
Als Integral
\int 2^x\,dx = \dfrac{2^x}{\ln 2} + C
Auf dieser Seite
  1. Graph von 2ˣ und seiner Ableitung
  2. Beweis: Umschreiben zur Basis e
  3. Wie groß ist der Faktor ln a?
  4. Mit der Kettenregel und Beispiele
  5. 2ˣ im Vergleich zu x²
  6. Typische Fehler

Die Ableitung von 2^x ist 2^x\ln 2. Dasselbe Muster gilt für jede positive Basis:

\frac{d}{dx}\,2^x = 2^x\ln 2 \qquad\qquad \frac{d}{dx}\,a^x = a^x\ln a

Wegen \ln 2 \approx 0.693 beträgt die Steigung von 2^x immer etwa 69\% des Funktionswerts.

Graph von 2ˣ und seiner Ableitung

Graph von y = 2ˣ und seiner Ableitung y = 2ˣ ln 2
Die Ableitung hat dieselbe Form wie 2^x, nur um den Faktor \ln 2 \approx 0.693 gestaucht. Bei x = 0 ist der Funktionswert 1 und die Steigung \ln 2.

Beweis: Umschreiben zur Basis e

Jede positive Basis lässt sich als Potenz von e schreiben, denn a = e^{\ln a}:

a^x = \left(e^{\ln a}\right)^x = e^{x\ln a}

Jetzt ist \ln a einfach eine Konstante, also liefert die Kettenregel zusammen mit der Ableitung von eˣ

\frac{d}{dx}e^{x\ln a} = e^{x\ln a}\cdot\ln a = a^x\ln a

Für a = 2 ist das 2^x\ln 2. Für a = e ergibt sich e^x\ln e = e^x. Deshalb ist e die natürliche Basis: Sie ist die einzige Basis ohne zusätzlichen Faktor.

Wie groß ist der Faktor ln a?

Basis a \ln a Ableitung von a^x
2 \approx 0.693 2^x\ln 2
e 1 e^x
3 \approx 1.099 3^x\ln 3
10 \approx 2.303 10^x\ln 10
\frac{1}{2} \approx -0.693 -\left(\frac{1}{2}\right)^x\ln 2

Für 0 < a < 1 ist \ln a negativ, also ist a^x fallend. Das passt zum Graphen des exponentiellen Zerfalls.

Mit der Kettenregel und Beispiele

\frac{d}{dx}a^u = a^u\ln a\cdot u'

Beispiel 1. \frac{d}{dx}2^{3x} = 2^{3x}\ln 2\cdot 3 = 3\ln 2\cdot 2^{3x}.

Beispiel 2. \frac{d}{dx}3^{x^2} = 3^{x^2}\ln 3\cdot 2x = 2x\ln 3\cdot 3^{x^2}.

Beispiel 3. \frac{d}{dx}2^{-x} = -2^{-x}\ln 2.

Beispiel 4: Produktregel. Für f(x) = x\cdot 2^x liefert die Produktregel

f'(x) = 2^x + x\cdot 2^x\ln 2 = 2^x(1 + x\ln 2)

Beispiel 5: Wachstumsrate. Eine Population P(t) = 500\cdot 2^t verdoppelt sich in jeder Zeiteinheit. Ihre Wachstumsrate bei t = 3 ist P'(3) = 500\cdot 8\ln 2 \approx 2773 pro Zeiteinheit.

2ˣ im Vergleich zu x²

Funktion Basis Exponent Regel Ableitung
x^2 variabel konstant Potenzregel 2x
2^x konstant variabel Regel für Exponentialfunktionen 2^x\ln 2
x^x variabel variabel logarithmisches Differenzieren x^x(\ln x + 1)

Wenn Basis und Exponent beide variabel sind, reicht keine der beiden Regeln allein. Sieh dir dazu die Ableitung von xˣ an.

Typische Fehler

  1. Die Potenzregel anwenden: x\cdot 2^{x-1}. Falsche Regel für einen variablen Exponenten.
  2. \ln 2 weglassen. Das wäre nur für die Basis e richtig.
  3. \log 2 statt \ln 2 schreiben. Der Faktor ist der natürliche Logarithmus.

Die Umkehrung, \int 2^x\,dx = \frac{2^x}{\ln 2} + C, steht auf der Seite zum Integral von 2ˣ. Die Umkehrfunktion \log_2 x behandelt die Seite zur Ableitung von log x. Siehe auch Exponentialfunktionen.

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Exponentialfunktionen und Logarithmen

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Ableitung von 2^x?

Die Ableitung von 2^x ist 2^x\ln 2, also ungefähr 0.693\cdot 2^x.

Was ist die Ableitung von a^x?

Für jede Konstante a > 0 gilt \frac{d}{dx}a^x = a^x\ln a. Zum Beispiel ist \frac{d}{dx}10^x = 10^x\ln 10 und \frac{d}{dx}3^x = 3^x\ln 3.

Warum ist die Ableitung von 2^x nicht x·2^(x−1)?

Das wäre die Potenzregel, und die braucht eine variable Basis und einen konstanten Exponenten. Bei 2^x ist die Basis konstant und der Exponent variabel, also nimmst du stattdessen die Regel für Exponentialfunktionen.

Was ist die Ableitung von 2^(3x)?

Mit der Kettenregel erhältst du 2^{3x}\ln 2\cdot 3 = 3\ln 2\cdot 2^{3x}.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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