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Exponentialfunktion – Definition und Erklärung

Exponentialfunktionen zeigen exponentielles Wachstum, zum Beispiel das Verdoppeln einer Fläche in gleichen Schritten. Die Variable xx steht im Exponenten. Erfahre, wie man eine Exponentialfunktion darstellt und ihren Graphen zeichnet. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Welche Variable steht bei einer Exponentialfunktion im Exponenten?

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Exponentialfunktion – Definition und Erklärung
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung zum Video Exponentialfunktion – Definition und Erklärung

Du kennst lineare Funktionen und quadratische Funktionen – aber weißt du auch, was eine Exponentialfunktion ist? Solche Funktionen sind unter anderem wichtig, um viele Wachstumsprozesse zu beschreiben.

In diesem Video werden wir die Exponentialfunktion und ihre Definition kennenlernen. Wir lernen, wie man eine Wertetabelle und den Graphen der Exponentialfunktion erstellt. Mit diesem Wissen haben wir alle Werkzeuge, um beliebige Exponentialfunktionen auszuwerten.

Grundlagen zum Thema Exponentialfunktion – Definition und Erklärung

Exponentialfunktion – Definition

Das Besondere bei Exponentialfunktionen ist, dass die unabhängige Größe, die Variable (meist xx), im Exponenten einer Potenz steht. Ein typisches Beispiel ist die folgende Exponentialfunktion mit der Basis 22:

f(x)=2xf(x)=2^x

Eine Exponentialfunktion ist eine Funktion, bei der die Variable im Exponenten einer Potenz steht.

Die allgemeine Form fa(x)f_a(x) einer Exponentialfunktion lautet:

fa(x)=caxf_a(x)=c \cdot a^x

Dabei gilt:

  • axa^x ist eine Potenz.
  • xx ist die Variable der Funktion. Sie steht im Exponenten der Potenz.
  • aRa \in \mathbb{R} ist die Basis der Potenz.
  • cRc \in \mathbb{R} ist eine Konstante.

Bei dem Beispiel f(x)=2xf(x) = 2^x haben wir also die Variable xx, die Basis 22 und die Konstante 11.

Schlaue Idee
Wenn du Geld auf ein Sparkonto legst, dann wächst es mit der Zeit durch Zinsen. Das ist ein echtes Beispiel für eine Exponentialfunktion, die zeigt, wie dein Geld Jahr für Jahr mehr wird.

Exponentialfunktionen spielen vor allem bei Wachstumsprozessen eine große Rolle. Wenn ein Bestand in gleichen Perioden immer um einen bestimmten Faktor wächst, liegt exponentielles Wachstum vor.
Bei der Exponentialfunktion f(x)=2xf(x) = 2^x wäre das der Faktor 22. Es gilt:

f(1)=21=2f(1) = 2^1 = 2

f(2)=22=22f(2) = 2^2 = 2 \cdot 2

f(3)=23=222f(3) = 2^3 = 2 \cdot 2 \cdot 2 \qquad usw.

Bei einem solchen Wachstumsprozess ergibt sich der Anfangswert bei x=0x = 0 aus der Konstante cc, denn für jede Basis aRa \in \mathbb{R} gilt:

a0=1a^0 = 1 \qquad und damit fa(0)=ca0=c1=c\qquad f_a(0)=c \cdot a^0 = c \cdot 1 = c

Ist c=1c = 1 (wie bei unserer Beispielfunktion), ist also auch f(0)=1f(0) = 1:

f(0)=20=1f(0) = 2^0 = 1

Man kann zum Beispiel das Wachstum von Rost auf einer Metallfläche mit einer solchen Exponentialfunktion beschreiben:
Anfänglich deckt der Rost eine Fläche von 1 cm21~\text{cm}^2 ab. Jede Stunde verdoppelt sich diese Fläche.
Die gleichen Perioden, also die gleichbleibenden Zeitschritte, die wir betrachten, sind hier eine Stunde lang. Der Faktor des Wachstums beträgt 22, denn die gewachsene Rostfläche verdoppelt sich nach jeder Stunde xx.

Die Exponentialfunktion, die dieses Wachstum beschreibt, ist wieder unsere Beispielfunktion, wobei wir streng genommen jetzt mit Einheiten rechnen müssen:

f(x Stunden)=1 cm22x Stundenf(x~\text{Stunden}) = 1~{\text{cm}}^2 \cdot 2^{x~\text{Stunden}}

Damit können wir nun die verrostete Fläche nach einer beliebigen Anzahl an Stunden berechnen. Bei der Berechnung der Werte ist es natürlich einfacher, die Einheiten erstmal wegzulassen und im Nachhinein wieder zu ergänzen.
Sehen wir uns den Verlauf des Wachstums in einem Diagramm an:

Graph einer Exponentialfunktion

Hier sehen wir, dass auch negative Werte für xx möglich sind. Wir können also auch sehen, wie das Wachstums des Rostes verlaufen sein muss, bevor eine Rostfläche von 1 cm21~\text{cm}^2 an dem von uns gewählten Startpunkt (0 Stunden)\left( 0~\text{Stunden} \right) erreicht wurde. Hierfür solltest du die Rechenregel für Potenzen mit negativem Exponenten kennen:

ax=1axa^{-x} = \dfrac{1}{a^x}

Bei unserer Wachstumsfunktion gilt also beispielsweise für den Wert x=2x = -2:

f(2)=22=122=14=0,25f(-2) = 2^{-2} = \dfrac{1}{2^2} = \dfrac{1}{4} = 0{,}25

Auch der yy-Wert einer Exponentialfunktion kann negativ sein. Dafür müsste aber die Konstante cc vor der Potenz negativ sein – das ist in unserer Beispielfunktion nicht der Fall.

Exponentielles Wachstum und Zerfall

Neben dem Wachstum bzw. der Zunahme von Rost auf einer Metalloberfläche gibt es noch viele weitere Beispiele für exponentielles Wachstum. Auch der umgekehrte Vorgang, exponentieller Zerfall, ist möglich. Ein Zerfall wird üblicherweise durch eine Exponentialfunktion mit einem negativen Exponenten beschrieben.

Folgende Beispiele für Wachstums- und Zerfallsprozesse können mit Exponentialfunktionen beschrieben werden:

  • Wenn du Geld anlegst, erhältst du von der Bank Zinsen. Das angelegte Geld nimmt exponentiell zu, solange du kein Geld abhebst. Wie viel Geld dabei herauskommt, berechnest du mit der Zinsrechnung. Die Vermehrung von Ersparnissen auf dem Bankkonto ist also ein exponentieller Wachstumsprozess.
  • Ebenso ist die Vermehrung von Bakterien ein exponentieller Wachstumsprozess. In einer Bakterienkultur vermehren sich die Bakterien normalerweise durch Zellteilung. Das heißt, jedes Bakterium verdoppelt sich, wobei sich die neuen Bakterien wiederum verdoppeln und so weiter. Ein solches Wachstum lässt sich exponentiell beschreiben.
  • Der Milchschaum auf einem Latte Macchiato oder die Schaumkrone auf einem Bier stellen einen exponentiellen Zerfallsprozess dar – sie zerfallen exponentiell.
  • Auch der Zerfall von radioaktiven Nukliden bzw. Substanzen ist exponentiell. Dieser Zerfall kann mitunter sehr, sehr lange dauern.

Wusstest du schon?
Wenn du schon einmal gesehen hast, wie ein Video viral geht, dann hast du ein Beispiel für exponentielles Wachstum erlebt! Die Anzahl der Aufrufe kann innerhalb kürzester Zeit explodieren, da immer mehr Leute das Video teilen und anschauen. So schnell wie die Exponentialfunktion wächst, kann sich Information verbreiten!

Um solche Prozesse zu beschreiben, verwendet man Exponentialfunktionen. Wir haben in der obigen Abbildung gesehen, dass der Graph einer Exponentialfunktion einerseits sehr steil ansteigt, andererseits aber in einem gewissen Bereich ziemlich flach verläuft. Exponentielles Wachstum (bzw. Zerfall) muss also nicht immer schnell sein. Je nachdem, in welchem Bereich der Wachstums- bzw. Zerfallskurve man sich gerade befindet, kann es auch mal sehr langsam gehen.
Deswegen tut sich auf deinem Bankkonto erst mal nicht recht viel, wenn du nur einen geringen Betrag anlegst – erst nach vielen Jahren des Sparens nimmt das Wachstum dann langsam Fahrt auf. Wenn du also geduldig bleibst, kommt am Ende doch ganz schön was zusammen, selbst wenn du ganz klein anfängst.

Exponentialfunktion – Eigenschaften

Betrachten wir die Exponentialfunktion in ihrer allgemeinen Form:

fa(x)=caxf_a(x)=c \cdot a^x

Es gilt aRa \in \mathbb{R} und cRc \in \mathbb{R}.

Wenn die Konstante cc gleich 11 ist, vereinfacht sich die Exponentialfunktion zu:

fc=1(x)=axf_{c=1}(x)=a^x

Ist hingegen cc gleich 00, erhalten wir:

fc=0(x)=0ax=0f_{c=0}(x)=0 \cdot a^x = 0

Dieser Fall ist also nicht als Exponentialfunktion zu betrachten, genauso wenig wie die Fälle für a=0a =0 und a=1a = 1, denn dann handelt es sich jeweils um eine konstante Funktion:

fa=0(x)=c0x=c0=0f_{a=0}(x)=c \cdot 0^x = c \cdot 0 = 0

fa=1(x)=c1x=c1=cf_{a=1}(x)=c \cdot 1^x = c \cdot 1 = c

Für alle anderen Werte aRa \in \mathbb{R} und cRc \in \mathbb{R} erhalten wir Exponentialfunktionen. Dabei sind einige Zusammenhänge zu beachten, die wir uns im Folgenden genauer ansehen.

Definitions- und Wertemenge

In eine Exponentialfunktion der allgemeinen Form fa(x)=caxf_a(x)=c \cdot a^x können wir jede beliebige reelle Zahl für xx einsetzen und erhalten immer einen positiven Funktionswert, solange cc positiv ist. Es gilt also:

  • Die Definitionsmenge einer Exponentialfunktion der allgemeinen Form ist D=RD = \mathbb{R}.
  • Die Wertemenge einer Exponentialfunktion der allgemeinen Form ist
    W=R+W = \mathbb{R}^+ für c>0c >0 \qquad bzw. W=R\qquad W = \mathbb{R}^- für c<0c < 0.

Für die Werte <x<-\infty < x < \infty können also alle Funktionswerte der Mengen R+\mathbb{R}^+ oder R\mathbb{R}^- angenommen werden, jedoch nicht der Funktionswert 00.

Monotonie

Hinsichtlich der Monotonie – also des Verlaufs der Steigung des Funktionsgraphen einer Exponentialfunktion – ist Folgendes zu beachten:

  • Ist c>0c > 0 und a>1a > 1, verläuft der Graph der Exponentialfunktion streng monoton steigend und liegt im 1. und 2. Quadranten des Koordinatensystems.
  • Ist c>0c > 0, aber 0<a<10 < a < 1, verläuft der Graph der Exponentialfunktion streng monoton fallend im 1. und 2. Quadranten des Koordinatensystems.
  • Ist c<0c < 0 und a>1a > 1, verläuft der Graph der Exponentialfunktion ebenfalls streng monoton fallend, liegt allerdings im 3. und 4. Quadranten – also im Bereich negativer yy-Werte.
  • Ist c<0c < 0, aber 0<a<10 < a < 1, verläuft der Graph der Exponentialfunktion streng monoton steigend im 3. und 4. Quadranten.

Um einen Zerfall mit einer streng monoton fallenden Exponentialfunktion darzustellen, wird also nicht zwingend ein negativer Exponent benötigt – das geht nämlich auch mit einer Basis aa, die zwischen 00 und 11 liegt (wenn c>0c > 0 ist).
Ausgehend von unserer Beispielfunktion f(x)=2xf(x) = 2^x können wir die Basis 22 durch den Wert 0,50{,}5 ersetzen und erhalten:

j(x)=0,5x=(12)x=1x2x=12x=2xj(x) = {0{,}5}^x = {\left(\dfrac{1}{2}\right)}^x = \dfrac{1^x}{2^x} = \dfrac{1}{\,2^x} = 2^{-x}

Die Funktion j(x)=0,5xj(x) = {0{,}5}^x entspricht also genau der Funktion f(x)=2xf(-x) = 2^{-x} mit negativem Exponenten. Dabei ist die Basis der Exponentialfunktion j(x)=0,5xj(x) = {0{,}5}^x genau der Kehrwert der Basis von f(x)=2xf(x) = 2^x bzw. f(x)=2xf(-x) = 2^{-x}.

Grenzwerte

Mit den Betrachtungen der Monotonie können wir auch nachvollziehen, an welche Funktionswerte sich der Graph einer Exponentialfunktion hinsichtlich der Grenzen des Definitionsbereichs für xx \longrightarrow -\infty bzw. xx \longrightarrow \infty annähert.

  • Ist c>0c > 0 und a>1a > 1, liegen die Grenzwerte der Exponentialfunktion bei
    fa(x)=0f_a(x \longrightarrow -\infty) = 0 \qquad und fa(x)=\qquad f_a(x \longrightarrow -\infty) = \infty.
    Eine solche Exponentialfunktion nähert sich für immer kleinere xx der waagerechten Asymptote y=0y=0 an (also der xx-Achse) und wächst für immer größere xx ins (positiv) Unendliche. Das haben wir in der Abbildung unserer Beispielfunktion f(x)f(x) auch schon gesehen.

  • Ist c>0c > 0, aber 0<a<10 < a < 1, liegen die Grenzwerte der Exponentialfunktion bei
    fa(x)=f_a(x \longrightarrow -\infty) = \infty \qquad und fa(x)=0\qquad f_a(x \longrightarrow -\infty) = 0.
    Eine solche Exponentialfunktion kommt also für kleine xx aus dem (positiv) Unendlichen und nähert sich für immer größere xx der waagerechten Asymptote y=0y=0 an (also der xx-Achse). Der Verlauf stellt im Vergleich zum vorherigen Fall eine Spiegelung an der yy-Achse dar.

  • Ist c<0c < 0 und a>1a > 1, liegen die Grenzwerte der Exponentialfunktion bei
    fa(x)=0f_a(x \longrightarrow -\infty) = 0 \qquad und fa(x)=\qquad f_a(x \longrightarrow -\infty) = -\infty.
    Eine solche Exponentialfunktion nähert sich für immer kleinere xx der waagerechten Asymptote y=0y=0 an (also der xx-Achse) und fällt für immer größere xx ins negativ Unendliche. Dieser Verlauf stellt im Vergleich zum ersten Fall eine Spiegelung an der xx-Achse dar.

  • Ist c<0c < 0, aber 0<a<10 < a < 1, liegen die Grenzwerte der Exponentialfunktion bei
    fa(x)=f_a(x \longrightarrow -\infty) = -\infty \qquad und fa(x)=0\qquad f_a(x \longrightarrow -\infty) = 0.
    Eine solche Exponentialfunktion kommt also für kleine xx aus dem negativ Unendlichen und nähert sich für immer größere xx der waagerechten Asymptote y=0y=0 an (also der xx-Achse). Der Verlauf stellt im Vergleich zum vorherigen Fall eine Spiegelung an der yy-Achse dar und im Vergleich zum ersten Fall eine Punktspiegelung am Koordinatenursprung.

Hinsichtlich der Definitions- und Wertemenge, der Monotonie und den Grenzwerten sind außerdem folgende Besonderheiten von Exponentialfunktionen zu beachten:

  • Eine Exponentialfunktion der allgemeinen Form fa(x)=caxf_a(x)=c \cdot a^x hat keine Nullstelle.
  • In der allgemeinen Form ist die xx-Achse immer eine waagerechte Asymptote, an die sich die Exponentialfunktion entweder für unendlich kleine oder unendlich große xx-Werte annähert.
  • Eine Exponentialfunktion der allgemeinen Form schneidet die yy-Achse immer im Punkt (0c)\left( 0 \vert c \right). Ist c=1c=1, liegt der Schnittpunkt entsprechend bei (01)\left( 0 \vert 1 \right).

Damit haben wir einen guten Überblick über die Eigenschaften von Exponentialfunktionen und deren Funktionsgraphen in Abhängigkeit der Parameter cc und aa.

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Natürliche Exponentialfunktion

Eine besondere (und ganz besonders wichtige) Exponentialfunktion ist die Exponentialfunktion mit der Basis e2,71828e\approx2{,}71828, der Euler’schen Zahl:

fe(x)=exf_e(x) = e^x

Diese Exponentialfunktion mit der Basis ee, die wir hier fe(x)f_e(x) genannt haben, heißt auch natürliche Exponentialfunktion.
Manchmal wird der Begriff Exponentialfunktion auch als Synonym für speziell diese eine Exponentialfunktion bzw. für den Term exe^x verwendet. Oft spricht man auch einfach von der ee-Funktion.

Man kann jede beliebige Exponentialfunktion mit der Basis aa in eine natürliche Exponentialfunktion mit der Basis ee umwandeln. Dazu wird der natürliche Logarithmus ln(x)\ln(x) benötigt. Dieser ist gleichbedeutend mit loge(x)\log_e(x), also dem Logarithmus von xx zur Basis ee. Der natürliche Logarithmus stellt die Umkehrfunktion der natürlichen Exponentialfunktion dar.
Es gilt also: eln(x)=xe^{\ln(x)}=x

Damit können wir rechnen:
fa(x)=cax=celn(ax)f_a(x)=c \cdot a^x= c \cdot e^{\ln(a^x)}

Nun wenden wir eine Rechenregel an, die für alle Logarithmen (unabhängig von der Basis) gilt: log(pq)=qlog(p)\log(p^{q})=q \cdot \log(p)

So erhalten wir:
fa(x)=celn(ax)=cexln(a)f_a(x)=c \cdot e^{\ln(a^x)}= c \cdot e^{x \cdot \ln(a)}

Letztendlich ist ln(a)\ln(a) nichts weiter als ein konstanter Faktor, mit dem die Variable xx im Exponenten der ee-Funktion multipliziert wird.
Damit haben wir eine beliebige Exponentialfunktion fa(x)f_a(x) n eine natürliche Exponentialfunktion umgewandelt.

Exponentialfunktion – Parameter und Funktionsgraph

Etwas allgemeiner können wir eine natürliche Exponentialfunktion so formulieren:

fea(x)=cekxf_{ea}(x)=c \cdot e^{k \cdot x}

Der konstante Faktor ln(a)\ln(a), den wir aus der allgemeinen Form der Exponentialfunktion eben herausgearbeitet haben, wird hier einfach kk genannt. Des Weiteren gilt:

  • xx ist die Variable. Sie steht im Exponenten der Potenz. Häufig wird für xx eine Zeit eingesetzt (und statt xx die Variable tt für time verwendet).
  • ee ist die Euler’sche Zahl und die Basis der Potenz.
  • cc und kk sind Parameter, also konstante Faktoren, für die beliebige reelle Zahlen gewählt werden können. In Bezug auf Wachstums- und Zerfallsprozesse unter Beachtung des Zerfallgesetzes ist cc der Anfangswert des Prozesses, der für x=0 (bzw. t=0)x=0~\left(\text{bzw.}~t=0 \right) angenommen wird und kk die sogenannte Wachstumskonstante, die sich vom Wachstumsfaktor aa ableitet (k=lna)\left( k = \ln{a} \right).

Für die Eigenschaften einer natürlichen Exponentialfunktion gelten nun ganz ähnliche Zusammenhänge, wie wir sie auch schon bei der allgemeinen Form der Exponentialfunktion gesehen haben. Allerdings haben wir nun einen zusätzlichen Parameter, nämlich kk.

Betrachten wir zunächst die folgende Funktion:

f1(x)=1e1x=exf_1(x)= 1 \cdot e^{1 \cdot x} = e^x

Hier ist also c=1c=1 und k=1k=1. Der Funktionsgraph dieser Funktion sieht so aus:

Graph der natürlichen Exponentialfunktion

Sieht ganz ähnlich aus wie der Graph unserer ersten Beispielfunktion f(x)=2xf(x)=2^x, nicht wahr?
Das ist kein Wunder, schließlich ist der Unterschied zwischen der Basis e2,71828e\approx2{,}71828 von f1(x)=exf_1(x) = e^x und der Basis a=2a=2 von f(x)=2xf(x)=2^x nicht allzu groß.

Da auch hier die Konstante c=1c=1 ist, schneidet auch dieser Funktionsgraph die yy-Achse bei y=1y=1. Außerdem gilt f1(1)=e2,71828f_1(1) = e\approx2{,}71828 und es gibt keine Nullstelle.

Da die Basis ee größer als 11 ist und hier die Parameter cc und kk beide positiv sind, gelten außerdem folgende Punkte:

  • Die natürliche Exponentialfunktion ist für alle reellen Werte von xx definiert (D=R)\left( D = \mathbb{R} \right) und nimmt ausschließlich positive Funktionswerte an (W=R+)\left( W = \mathbb{R}^+ \right).
  • Der Funktionsgraph ist streng monoton steigend und liegt im 1. und 2. Quadranten des Koordinatensystems.
  • Für xx \longrightarrow -\infty nähert sich der Funktionsgraph der xx-Achse an. Diese stellt also eine waagerechte Asymptote dar und es gilt der Grenzwert f1(x)=0f_1(x \longrightarrow -\infty) = 0 für immer kleiner werdende xx.
    Für xx \longrightarrow \infty wächst der Funktionsgraph ins (positiv) Unendliche, nähert sich also dem Grenzwert f1(x)=f_1(x \longrightarrow \infty) = \infty für immer größere xx an.

Diese Punkte gelten für alle Parameter c>0c>0 und k>0k>0. Je größer cc und kk sind, desto steiler steigt die Kurve der Exponentialfunktion. Dabei wirkt sich ein größerer oder kleiner Wert des Parameters kk deutlich stärker aus als eine entsprechende Veränderung des Parameters cc.

Schauen wir uns aber noch einige andere Möglichkeiten an:

  • Bei f1(x)=exf_{-1}(x)=e^{-x} mit c=1c=1 und k=1k=-1 wird der Graph an der yy-Achse gespiegelt, er verläuft also streng monoton fallend. Die übrigen Eigenschaften bleiben erhalten. Durch den negativen Wert von kk haben wir nun einen negativen Exponenten. Das haben wir in Zusammenhang mit dem exponentiellen Zerfall weiter oben schon besprochen.
  • Bei j1(x)=exj_1(x)=-e^{x} mit c=1c=-1 und k=1k=1 wird der Graph an der xx-Achse gespiegelt. Er verläuft dann streng monoton fallend und liegt komplett unterhalb der xx-Achse, also im 3. und 4. Quadranten des Koordinatensystems. Auch diesen Fall haben wir weiter oben schon besprochen. Andere positive Werte für kk ändern an diesem Zusammenhang nichts.
  • Bei j1(x)=exj_{-1}(x)=-e^{-x} mit c=1c=-1 und k=1k=-1 ist der Graph im Vergleich zu f1(x)f_1(x) sowohl an der xx-Achse als auch an der yy-Achse gespiegelt. Es handelt sich damit um eine Punktspiegelung am Koordinatenursprung. Der Graph ist streng monoton steigend, liegt im 3. und 4. Quadranten komplett unterhalb der xx-Achse und schneidet die yy-Achse bei c=1c=-1.

Ein negativer Wert des Parameters kk wirkt sich also ganz ähnlich aus wie ein Wert zwischen 00 und 11 der allgemeinen Basis aa. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus einer Rechenregel für den Logarithmus, die wir beim Umrechnen von allgemeinen Exponentialfunktionen in natürliche Exponentialfunktionen anwenden können. Wie bereits gesehen, gilt: k=ln(a)k = \ln(a)

Ist kk negativ, gilt entsprechend: k=ln(a)-k = -\ln(a)
Außerdem gilt: ln(1)=0\ln(1)=0
Damit lässt sich umschreiben: k=ln(a)=ln(1)ln(a)-k = -\ln(a) = \ln(1) - \ln(a)

Jetzt wenden wir die entscheidende Rechenregel an: ln(1)ln(a)=ln(1a)\ln(1) - \ln(a) = \ln\left(\frac{1}{a} \right)
Es gilt also letztendlich: k=ln(1a)-k = \ln\left(\frac{1}{a} \right)

Gehen wir von dem ursprünglichen Fall aus, dass k>0k>0 und a>1a>1 ist, haben wir somit einen direkten Zusammenhang zwischen einem entsprechend negativen kk (also k-k) und einem Bruch 1a\frac{1}{a} hergeleitet, der den Kehrwert der allgemeinen Basis aa darstellt und folglich kleiner als 11 ist.

Exponentialfunktion – Formel

Die Exponentialfunktion in ihrer allgemeinen Form können wir als Formel für einen Wachstumsprozess ansehen:

Formel für exponentielles Wachstum:

Aa(x)=A0axA_a(x) = A_0 \cdot a^x \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und a>1\quad a > 1

A0A_0: Anfangswert zum Startpunkt x=0x=0
aa: Wachstumsfaktor

Auch einen Zerfallsprozess können wir mit geeigneten Werten für aa abbilden:

Formel für exponentiellen Zerfall:

Aa(x)=A0(1a)xA_a(x) = A_0 \cdot {\left( \dfrac{1}{a} \right)}^x \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und a>1\quad a >1
bzw.
Aa(x)=A0axA_a(x) = A_0 \cdot a^x \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und 0<a<1\quad 0 < a < 1

A0A_0: Anfangswert zum Startpunkt x=0x=0
aa: Wachstumsfaktor

Gleiches können wir mit natürlichen Exponentialfunktionen und geeigneten Parametern schreiben:

Formel für exponentielles Wachstum:

Ae(x)=A0ekxA_e(x) = A_0 \cdot e^{k \cdot x} \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und k>0\quad k > 0

Formel für exponentiellen Zerfall:

Ae(x)=A0ekxA_e(x) = A_0 \cdot e^{-k \cdot x} \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und k>0\quad k > 0
bzw.
Ae(x)=A0ekxA_e(x) = A_0 \cdot e^{k \cdot x} \quad für A0>0\quad A_0 > 0 \quad und k<0\quad k < 0

A0A_0: Anfangswert zum Startpunkt x=0x=0
kk: Wachstumskonstante

Exponentialfunktion ableiten

Beim Ableiten einer Exponentialfunktion in der allgemeinen Form gilt folgende Ableitungsregel:

fa(x)=caxf_a(x) = c \cdot a^x

fa(x)=caxln(a)f^\prime_a(x) = c \cdot a^x \cdot \ln(a)

Der Faktor ln(a)\ln(a) ergibt sich durch das Nachdifferenzieren der Basis aa der Potenz axa^x. Für unsere Beispielfunktion f(x)=2xf(x) = 2^x sähe die erste Ableitung f(x)f^\prime(x) demnach folgendermaßen aus:

f(x)=2xf(x) = 2^x

f(x)=2xln(2)f^\prime(x) = 2^x \cdot \ln(2)

Bei der natürlichen Exponentialfunktion fe(x)=exf_e(x) = e^x wird die Ableitung dann ganz einfach, wenn wir berücksichtigen, dass ln(e)=1\ln(e) = 1 gilt:

fe(x)=exf_e(x) = e^x

fe(x)=exln(e)=ex1=exf^\prime_e(x) = e^x \cdot \ln(e) = e^x \cdot 1 = e^x

Die Ableitung der ee-Funktion ist also einfach wieder exe^x.

Exponentialfunktion der Form f(x)=axf(x) = a^x

Wenn es keinen Faktor cc vor der Potenz gibt, können wir eine Exponentialfunktion einfach Ableiten, indem wir die Basis nachdifferenzieren.

Beispiel:
f(x)=2xf(x) = 2^x
f(x)=2xln(2)f^\prime(x) = 2^x \cdot \ln(2)

Exponentialfunktion der Form f(x)=caxf(x) = c \cdot a^x

Wenn es einen Faktor cc gibt, wird dieser beim Ableiten einfach mitgenommen und die Basis der Potenz nachdifferenziert.

Beispiel:
h(x)=122xh(x) = -\dfrac{1}{2} \cdot 2^x

h(x)=122xln(2)=ln(2)22xh^\prime(x) = -\dfrac{1}{2} \cdot 2^x \cdot \ln(2) = -\dfrac{\ln(2)}{2} \cdot 2^x

Exponentialfunktion der Form f(x)=cag(x)f(x) = c \cdot a^{g(x)}

Bei komplexeren Exponentialfunktionen, bei denen nicht nur die Variable xx, sondern eine Funktion von xx im Exponenten steht, ist das Nachdifferenzieren etwas komplizierter. Zusätzlich zur Basis der Potenz muss auch die gesamte Funktion g(x)g(x) im Exponenten nachdifferenziert werden:

fa(x)=cag(x)f_a(x) = c \cdot a^{g(x)}

fa(x)=cag(x)ln(a)g(x)f^\prime_a(x) = c \cdot a^{g(x)} \cdot \ln(a) \cdot g^\prime(x)

Beispiel:
l(x)=1222x2l(x) = -\dfrac{1}{2} \cdot 2^{2x^2}

l(x)=1222x2ln(2)(2x2)l^\prime(x) = -\dfrac{1}{2} \cdot 2^{2x^2} \cdot \ln(2) \cdot \left( 2x^2 \right)^\prime

=ln(2)22x22x=2xln(2)2x\qquad = -\dfrac{\ln(2)}{2} \cdot 2^x \cdot 2 \cdot 2x = -2x \cdot \ln(2) \cdot 2^x

Exponentialfunktion – Beispiel

Kommen wir wieder zu unserem Beispiel vom Anfang: dem Wachstum des Rostflecks auf der Metalloberfläche. Dieses Wachstum haben wir mit einer Exponentialfunktion dargestellt:

f(x Stunden)=1 cm22x Stundenf(x~\text{Stunden}) = 1~\text{cm}^2 \cdot 2^{x~\text{Stunden}}

Um zu verstehen, was hier genau passiert, können wir mit dieser Funktion genauso umgehen, wie mit anderen bekannten Funktionen: Wir setzen ein paar Werte ein und erstellen eine Wertetabelle. Hierfür lassen wir erstmal die Einheiten weg und berechnen zu bestimmten Werten für xx die Funktionswerte:

  • f(0)=20=1f(0)=2^0=1
  • f(1)=21=2f(1)=2^1=2
  • f(2)=22=4f(2)=2^2=4
  • f(3)=23=8f(3)=2^3=8

Nun können wir auch einige Werte in negative xx-Richtung berechnen:

  • f(1)=21=121=12=0,5f(-1)=2^{-1}=\dfrac{1}{2^1}=\dfrac{1}{2}=0{,}5
  • f(2)=22=122=14=0,25f(-2)=2^{-2}=\dfrac{1}{2^2}=\dfrac{1}{4}=0{,}25
  • f(3)=23=123=18=0,125f(-3)=2^{-3}=\dfrac{1}{2^3}=\dfrac{1}{8}=0{,}125

Diese Wertepaare (xf(x))\left( x \vert f(x) \right) können wir in ein Koordinatensystem übertragen. So erhalten wir den Graphen der Funktion, der weiter oben schon in einer Abbildung dargestellt war.
Aus den verschiedenen Bereichen des Graphen können wir einige Informationen ableiten:

  • Das Wachstum, also die Zunahme des Rostes, fing sehr langsam an. Es dauerte viele Stunden, bis der Rostfleck von einer verschwindend kleinen Größe (bei 10-10 Stunden) zu einer Größe von 1 cm21~\text{cm}^2, also in etwa der Fläche eines Fingernagels, angewachsen ist.
  • Ab der Größe 1 cm21~\text{cm}^2, die uns zum Zeitpunkt x=0x=0 erstmals aufgefallen ist und damit für uns den Startpunkt des Wachstums darstellt, verlief das Wachstum des Rostes deutlich schneller, was an der zunehmenden Steigung der Kurve zu erkennen ist.
  • Bereits 33 Stunden nach unserem Startpunkt wird der Rostfleck bereits auf 8 cm28~\text{cm}^2, also das Achtfache der Größe zum Zeitpunkt x=0x=0, angewachsen sein.

Der Rost wird nun ziemlich schnell ins positiv Unendliche steigen. Allerdings kann in der Realität natürlich nicht unendlich viel Rost entstehen, sondern nur so viel, wie Metall vorhanden ist. Und natürlich hat das Rosten auch nicht schon im negativ Unendlichen angefangen (also nicht beim Anbeginn aller Zeiten), sondern frühestens als das Metall verarbeitet und verbaut wurde.
Das zeigt, dass mathematische Formeln für Wachstumsprozesse immer nur Näherungen sind, mit denen in der Realität ablaufende Prozesse näherungsweise beschrieben werden können.

Exponentialfunktion – Wertetabelle

Hier haben wir die zuvor berechneten Werte unserer Beispielfunktion noch einmal in Form einer Wertetabelle aufgeschrieben.

xx 2x2^x f(x)f(x)
3-3 23=1232^{-3}=\dfrac{1}{2^3} 18=0,125\dfrac{1}{8}=0{,}125
2-2 22=1222^{-2}=\dfrac{1}{2^2} 14=0,25\dfrac{1}{4}=0{,}25
1-1 21=1212^{-1}=\dfrac{1}{2^1} 12=0,5\dfrac{1}{2}=0{,}5
00 202^{0} 11
11 212^{1} 22
11 222^{2} 44
11 232^{3} 88

Exponentialfunktion – Aufgaben

Mit den folgenden Beispielaufgaben kannst du den Umgang mit Exponentialfunktionen selbstständig üben. Versuche es zuerst selbst und sieh dir dann die Lösungen an!

Ausblick – das lernst du nach Exponentialfunktion – Definition und Erklärung

Setze deinen mathematischen Weg mit Exponentialfunktionen fort. Erweitere dein Wissen über die wichtigsten Kenngrößen von Exponentialfunktionen und erfahre, wie sich diese in realen Anwendungen wiederfinden lassen.

Wenn du das Gelernte anwenden möchtest, dann schau dir den Übungstext zu Exponentialfunktionen an.

Zusammenfassung der Exponentialfunktion

  • Eine Exponentialfunktion ist eine Funktion, bei der die Variable (x)\left( x\right) im Exponenten einer Potenz steht.
  • Die allgemeine Form einer Exponentialfunktion lautet: fa(x)=caxf_a(x)=c \cdot a^x
  • Der Graph einer Exponentialfunktion verläuft in der Regel streng monoton steigend oder streng monoton fallend über alle xRx \in \mathbb{R}.
  • Exponentialfunktionen werden genutzt, um exponentielles Wachstum oder Zerfall darzustellen. Solche Prozesse spielen in der Natur und in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle.
  • Die natürliche Exponentialfunktion ist die Exponentialfunktion mit der Basis ee, der Euler’schen Zahl. Jede Exponentialfunktion lässt sich in eine natürliche Exponentialfunktion mit der Basis ee umwandeln.
  • Damit lässt sich auch exponentielles Wachstum allgemein als natürliche Exponentialfunktion darstellen: Ae(x)=A0ekxA_e(x) = A_0 \cdot e^{k \cdot x}
    Ae(x)A_e(x) ist die Wachstumsfunktion.
    A0A_0 ist der Anfangswert zum Startpunkt x=0x=0.
    kk ist die Wachstumskonstante, die aus dem Wachstumsfaktor aa der allgemeinen Form berechnet werden kann (k=lna)\left( k = \ln{a} \right).

Häufig gestellte Fragen zum Thema Exponentialfunktion

Transkript Exponentialfunktion – Definition und Erklärung

Achtung! Sicherheitsalarm! Die Integrität des Schiffes ist gefährdet! Weltraumrost zerstört die Außenhülle! Tatsächlich! Die Roststelle ist schon einen Quadratzentimeter groß! Der Rost muss schnell entfernt werden, denn er verbreitet sich exponentiell. Jede Stunde verdoppelt sich seine Fläche. Eine solche Entwicklung lässt sich besonders gut mit einer Exponentialfunktion beschreiben. In diesem Video beschäftigen wir uns mit der Definition von Exponentialfunktionen und einer Erklärung, wie diese aussehen. Zunächst zur Definition: Eine Exponentialfunktion ist eine Funktion, bei der die Variable im Exponenten steht. Dadurch wirken diese Funktionen auf den ersten Blick vielleicht etwas weniger greifbar als die bisher bekannten Funktionen. Du gehst aber genauso vor, wie bisher. Du beginnst mit einer Wertetabelle. Am Anfang, also zum Zeitpunkt Null, bedeckt der Rost 1 Quadratzentimeter. Nach einer Stunde bedeckt der Rost die doppelte Fläche, also '1 Quadratzentimeter mal 2'. Das sind 2 Quadratzentimeter. Nach einer weiteren Stunde, also nach 2 Stunden, hat sich die Fläche erneut verdoppelt. Es sind nun '2 mal 2 Quadratzentimeter' also 4 Quadratzentimeter. Nach der dritten Stunde sind wir bei '2 mal 2 mal 2 Quadratzentimetern', und somit bei '8 Quadratzentimetern'. Diese Produkte können wir auch als Potenzen schreiben. Die 2 ist dann einfach '2 hoch 1'. Jetzt sehen wir, dass in den Exponenten genau die Anzahl vergangener Stunden auftaucht. Nehmen wir die Anzahl der Stunden als Variable erhalten wir für eine sich stündlich verdoppelnde Größe eine Exponentialfunktion. Diesen Zusammenhang können wir natürlich auch in einem Koordinatensystem veranschaulichen: Für 'x gleich 1' erhalten wir 'f von x gleich 2'. Für 'x gleich 2' 'f von x gleich 4' für 'x gleich 3' 'f von x gleich 8'. So können wir auch den Startwert deuten: Bei 'x gleich Null' war die Fläche einen Quadratzentimeter groß. '2 hoch Null' ist also 1. Wir können sogar in die Vergangenheit schauen. Eine Stunde VOR dem Startzeitpunkt, also bei 'x gleich minus 1', war die Fläche halb so groß wie der Startwert. Das sind '0,5 Quadratzentimeter' oder '2 hoch minus 1'. Zwei Stunden vor dem Startzeitpunkt, also bei 'x gleich minus 2', war die Fläche folglich halb so groß wie die Hälfte des Startwerts. Das sind '0,25 Quadratzentimeter' oder '2 hoch minus 2'. Verbinden wir die Punkte im Koordinatensystem, erhalten wir den Graphen der Funktion. Fassen wir das noch einmal zusammen: Eine Exponentialfunktion ist eine Funktion, bei der die Variable im Exponenten steht. Sie beschreibt funktionale Zusammenhänge, bei denen sich eine Größe in festen Abständen jeweils um den gleichen Faktor verändert. Zu jedem x-Wert ergibt sich also eine andere Potenz zur Basis. Ist die Basis 2, dann beschreibt die Funktion eine Größe, die sich mit jedem Schritt verdoppelt. Der Wert 'x gleich Null' entspricht dann dem Startwert. Besitzt eine Exponentialfunktion keinen Vorfaktor, ist dieser Wert immer 1, denn jede Zahl 'hoch Null' ist 1. Der Graph einer Exponentialfunktion sieht dann ungefähr so aus. Der dreiachsgelagerte, KI-gesteuerte Antispatialkorrosionsdekompressor ist aufgebaut, justiert, ausbalanciert und eingestellt. Nimm das, Weltraumrost! Na also!

2 Kommentare
  1. sehr gut

    Von Lucas, vor mehr als 3 Jahren
  2. sehr verständliches und anschauliches Video

    Von Rosina Alischer, vor mehr als 4 Jahren

Exponentialfunktion – Definition und Erklärung Übung

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