Natürliche Exponentialfunktion eˣ: Graph, Ableitung, Integral und e
Die natürliche Exponentialfunktion e^x: was e ist, ihr Graph, warum sie ihre eigene Ableitung und Stammfunktion ist, wichtige Grenzwerte, Reihe und Beispiele.
Exponential- und Logarithmusfunktionen Aktualisiert 2 Min. Lesezeit
Auf einen Blick
- Definitionsbereich
- (-\infty, \infty)
- Wertebereich
- (0, \infty)
- Ableitung
- e^x
- Integral
- e^x + C
- Wert von e
- e \approx 2.71828
- Umkehrfunktion
- \ln x
- Asymptote
- y = 0 für x \to -\infty
Auf dieser Seite
Die natürliche Exponentialfunktion f(x) = e^x ist die Exponentialfunktion, deren Basis die eulersche Zahl e \approx 2.71828 ist. Sie ist die wichtigste Funktion der Analysis überhaupt, denn sie ist ihre eigene Ableitung: Die Rate, mit der e^x wächst, ist immer gleich ihrem aktuellen Wert.
Formel und die Zahl e
Jede Exponentialfunktion b^x hat bei x = 0 eine Steigung, die proportional zu ihrer Höhe ist. Die Basis e ist die eine Wahl, bei der die Steigung bei x = 0 genau 1 beträgt. Deshalb sind die Ableitungen von e^x so einfach.
Graph von eˣ
Wichtige Eigenschaften
- Definitionsbereich alle reellen Zahlen, Wertebereich (0, \infty): e^x ist immer positiv.
- Immer streng monoton steigend und immer linksgekrümmt (konvex), da f'(x) = f''(x) = e^x > 0 gilt.
- Waagerechte Asymptote y = 0: \lim_{x \to -\infty}e^x = 0, während \lim_{x \to \infty}e^x = \infty gilt.
- Umkehrfunktion des natürlichen Logarithmus: e^{\ln x} = x für x > 0 und \ln(e^x) = x für alle x. Siehe den natürlichen Logarithmus.
- Potenzgesetze: e^{a+b} = e^ae^b, e^{a-b} = \frac{e^a}{e^b}, (e^a)^b = e^{ab}, e^0 = 1.
- Wächst schneller als jede Potenz: \lim_{x \to \infty}\frac{x^n}{e^x} = 0 für jedes n.
- Potenzreihe: e^x = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots, gültig für alle x.
Ableitung von eˣ
Mit der Kettenregel:
Der Exponent wird nie als Faktor nach vorne gezogen. Das wäre die Potenzregel, und die gilt hier nicht.
Integral von eˣ
Rechenbeispiele
Beispiel 1. \frac{d}{dx}e^{3x} = 3e^{3x}.
Beispiel 2: Kettenregel. \frac{d}{dx}e^{x^2} = 2x\,e^{x^2}.
Beispiel 3: Produktregel. \frac{d}{dx}\left(x e^x\right) = e^x + xe^x = (1 + x)e^x.
Beispiel 4: bestimmtes Integral. \int_0^{\ln 2}e^x\,dx = e^{\ln 2} - e^0 = 2 - 1 = 1.
Beispiel 5: Substitutionsregel. Mit u = x^2 gilt \int 2x\,e^{x^2}\,dx = e^{x^2} + C.
Beispiel 6: exponentielles Wachstum. Die Lösung von y' = ky mit y(0) = y_0 ist y = y_0e^{kt}. Deshalb taucht e bei Bevölkerungswachstum, radioaktivem Zerfall und stetiger Verzinsung auf.
Häufige Fehler
- Die Potenzregel verwenden. \frac{d}{dx}e^x \ne xe^{x-1}.
- Den Faktor aus der Kettenregel vergessen. \frac{d}{dx}e^{5x} = 5e^{5x}, nicht e^{5x}.
- e^{kx} integrieren, ohne durch k zu teilen. \int e^{4x}\,dx = \frac{1}{4}e^{4x} + C.
- e^2 wie eine Variable behandeln. e^2 ist eine Konstante, ihre Ableitung ist also 0.
- e^{a+b} = e^a + e^b schreiben. Exponenten werden addiert, wenn man multipliziert: e^{a+b} = e^ae^b.
Zusammenhänge
e^x ist die Umkehrfunktion von \ln x und der Grundbaustein der Hyperbelfunktionen. Jede Exponentialfunktion lässt sich mit der Basis e schreiben: b^x = e^{x\ln b}. Eine ausführliche Anleitung mit mehr Übung bietet der Leitfaden zu Ableitungen von Exponential- und Logarithmusfunktionen, und die Reihenentwicklung findest du unter Taylorreihen.
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