Logarithmusfunktion log_b(x): Graph, Regeln, Ableitung, Integral
Logarithmusfunktionen log_b x: Definition, Graphen, Logarithmusgesetze, Basiswechsel, die Ableitung 1/(x ln b), das Integral und Rechenbeispiele.
Exponential- und Logarithmusfunktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit
Auf einen Blick
- Definitionsbereich
- (0, \infty)
- Wertebereich
- (-\infty, \infty)
- Ableitung
- \frac{1}{x\ln b}
- Integral
- \frac{x\ln x - x}{\ln b} + C
- Basiswechsel
- \log_b x = \frac{\ln x}{\ln b}
- Umkehrfunktion
- b^x
Auf dieser Seite
Eine Logarithmusfunktion \log_b x liefert den Exponenten, mit dem man die Basis b potenzieren muss, um x zu erhalten. Zum Beispiel ist \log_2 8 = 3, weil 2^3 = 8 ist. Logarithmen machen Exponentialfunktionen rückgängig, und in der Analysis ist jeder Logarithmus ein konstantes Vielfaches des natürlichen Logarithmus.
Definition und Formel
Gebräuchliche Basen: \log_{10}x (oft als \log x geschrieben), \ln x = \log_e x und \log_2 x in der Informatik.
Graphen von Logarithmusfunktionen
Wichtige Eigenschaften
- Definitionsbereich (0, \infty), Wertebereich alle reellen Zahlen.
- Verläuft durch (1, 0) und (b, 1), für jede Basis.
- Senkrechte Asymptote x = 0.
- Streng monoton steigend für b > 1, streng monoton fallend für 0 < b < 1.
- Umkehrfunktion von b^x: b^{\log_b x} = x für x > 0 und \log_b(b^x) = x für alle x. Der Graph ist der an y = x gespiegelte Graph von b^x.
- Langsames Wachstum: Für b > 1 gilt \log_b x \to \infty, aber langsamer als jede positive Potenz von x.
Logarithmusgesetze
Für x, y > 0:
| Regel | Formel |
|---|---|
| Produkt | \log_b(xy) = \log_b x + \log_b y |
| Quotient | \log_b\frac{x}{y} = \log_b x - \log_b y |
| Potenz | \log_b(x^k) = k\log_b x |
| Basiswechsel | \log_b x = \frac{\ln x}{\ln b} |
| Besondere Werte | \log_b 1 = 0, \log_b b = 1 |
Ableitung von log_b x
Durch den Basiswechsel wird daraus ein konstantes Vielfaches von \ln x:
Mit der Kettenregel gilt \frac{d}{dx}\log_b g(x) = \frac{g'(x)}{g(x)\ln b}. Für b = e ist \ln e = 1, und du erhältst wieder \frac{d}{dx}\ln x = \frac{1}{x}.
Integral von log_b x
Rechenbeispiele
Beispiel 1: berechnen. \log_3 81 = 4, weil 3^4 = 81 ist, und \log_2\frac{1}{8} = -3, weil 2^{-3} = \frac{1}{8} ist.
Beispiel 2: Ableitung. \frac{d}{dx}\log_{10}x = \frac{1}{x\ln 10}. Bei x = 10 ist die Steigung \frac{1}{10\ln 10} \approx 0.0434.
Beispiel 3: Kettenregel. \frac{d}{dx}\log_2(x^2 + 1) = \frac{2x}{(x^2 + 1)\ln 2}.
Beispiel 4: zuerst die Logarithmusgesetze anwenden. \frac{d}{dx}\log_5\left(x^3\sqrt{x}\right) = \frac{d}{dx}\tfrac{7}{2}\log_5 x = \frac{7}{2x\ln 5}.
Beispiel 5: eine Exponentialgleichung lösen. Um 2^x = 10 zu lösen, wendet man \log_2 auf beide Seiten an: x = \log_2 10 = \frac{\ln 10}{\ln 2} \approx 3.32.
Häufige Fehler
- Das \ln b in der Ableitung vergessen. \frac{d}{dx}\log_{10}x \ne \frac{1}{x}.
- Den Logarithmus einer Summe aufteilen. \log_b(x + y) \ne \log_b x + \log_b y.
- \frac{\log_b x}{\log_b y} = \log_b(x - y) schreiben. Das Quotientengesetz gilt für den Logarithmus eines Quotienten, nicht für einen Quotienten von Logarithmen.
- Den Basiswechsel umdrehen. Es heißt \frac{\ln x}{\ln b}, nicht \frac{\ln b}{\ln x}.
Zusammenhänge
Logarithmen verwandeln Exponentialgleichungen in lineare Gleichungen und Produkte in Summen. Darauf beruht das logarithmische Differenzieren. Sie tauchen außerdem im Integral von \frac{1}{x} und in vielen uneigentlichen Integralen auf. Die Ableitungsregeln im direkten Vergleich mit Exponentialfunktionen findest du im Leitfaden zu Ableitungen von Exponential- und Logarithmusfunktionen.
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