MathematikKlasse 11–13

Die natürliche Exponentialfunktion

Warum ist die Zahl e so besonders? Bei der e-Funktion sind Graph und Ableitung genau gleich.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Jede Exponentialfunktion f(x)=bxf(x) = b^x mit b>1b > 1 wächst – und zwar umso schneller, je größer ihr Funktionswert schon ist. Genauer: Die Ableitung ist ein festes Vielfaches der Funktion selbst,

f(x)=bx⟹f′(x)=ln⁡b⋅bx,f′(x)f(x)=ln⁡b   fu¨r alle x.f(x) = b^x \quad\Longrightarrow\quad f'(x) = \ln b \cdot b^x, \qquad \frac{f'(x)}{f(x)} = \ln b \;\text{ für alle } x.

Für b=2b = 2 ist der Faktor ln⁡2≈0,693\ln 2 \approx 0{,}693: Der Graph von f′f' liegt unter dem von ff. Für b=3b = 3 ist ln⁡3≈1,099\ln 3 \approx 1{,}099: f′f' liegt über ff. Dazwischen gibt es genau eine Basis, für die der Faktor 11 ist – die eulersche Zahl

e=2,718281828…mit(ex)′=ex.e = 2{,}718281828\ldots \qquad\text{mit}\qquad (e^x)' = e^x .

Die Funktion f(x)=exf(x) = e^x heißt natürliche Exponentialfunktion. Sie ist ihre eigene Ableitung: An jeder Stelle ist die Steigung so groß wie der Funktionswert. Im Punkt (0∣1)(0 \mid 1) hat ihr Graph die Steigung 11, die Tangente dort ist y=x+1y = x + 1.

Tangente und Steigungsdreieck. Die Tangente im Punkt P(x0∣ex0)P(x_0 \mid e^{x_0}) lautet

t:  y=ex0⋅(x−x0+1).t:\; y = e^{x_0} \cdot (x - x_0 + 1).

Sie schneidet die xx-Achse immer bei x0−1x_0 - 1. Das Dreieck aus diesem Schnittpunkt, dem Fußpunkt (x0∣0)(x_0 \mid 0) und PP hat also die Grundseite 1 und die Höhe f(x0)f(x_0) – seine Steigung ist genau der Funktionswert.

Wo kommt e her? Legt man 1 €1\,€ zu 100 %100\,\% Jahreszins an und verzinst nn-mal im Jahr mit je 100 %n\frac{100\,\%}{n}, hat man nach einem Jahr

(1+1n)n  €:n=1: 2 €,n=12: 2,6130 €,n=365: 2,7146 €.\left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n} \;€: \quad n = 1:\ 2\,€, \quad n = 12:\ 2{,}6130\,€, \quad n = 365:\ 2{,}7146\,€ .

Die Folge wächst, bleibt aber unter ee und nähert sich ee beliebig an.

Steckbrief von f(x)=exf(x) = e^x: D=RD = \mathbb{R}, W=R+W = \mathbb{R}^+, keine Nullstelle, Schnittpunkt mit der yy-Achse (0∣1)(0 \mid 1), Asymptote y=0y = 0 für x→−∞x \to -\infty, streng monoton steigend, linksgekrümmt, f′=ff' = f, Stammfunktion F(x)=ex+CF(x) = e^x + C. Die Umkehrfunktion ist der natürliche Logarithmus ln⁡x\ln x: ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x und eln⁡x=xe^{\ln x} = x für x>0x > 0; ihr Graph entsteht durch Spiegelung an y=xy = x.

Ausprobieren

  1. Ziehe den Punkt (1∣b)(1 \mid b) langsam nach oben. Beobachte die rot gestrichelte Ableitung und die Wertetabelle: Die letzte Spalte f′:ff' : f ist in jeder Zeile gleich. Beispiel laden
  2. Stelle b=3b = 3 ein. Liegt f′f' jetzt über oder unter ff? Vergleiche mit der Steigung der orangen Tangente in (0∣1)(0 \mid 1). Beispiel laden
  3. Klicke auf Basis e suchen: Die Basis läuft von 1,51{,}5 bis 44 und wieder zurück. Bei b=eb = e rastet sie ein, die Graphen von ff und f′f' fallen zusammen. Beispiel laden
  4. Wechsle zur Tangente und ziehe PP. Wo schneidet die Tangente die xx-Achse? Wie hoch ist das Steigungsdreieck? Beispiel laden
  5. Klicke auf Punkt entlangfahren und achte auf die Grundseite des Dreiecks.
  6. Schalte die Umkehrfunktion ein: Der Graph von exe^x klappt an y=xy = x zum Graphen von ln⁡x\ln x um, aus P(1∣e)P(1 \mid e) wird P′(e∣1)P'(e \mid 1). Beispiel laden
  7. Wechsle zu e entsteht und klicke auf n wachsen lassen. Wie viele Nachkommastellen von ee stimmen bei n=1000n = 1000, wie viele bei n=1 000 000n = 1\,000\,000? Beispiel laden

Aufgaben

Aufgabe 1: Ableitung von 2ˣ

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Bestimme mit dem Steigungsdreieck an der Tangente in (0∣1)(0 \mid 1) die Steigung des Graphen von f(x)=2xf(x) = 2^x an der Stelle 00. Berechne damit f′(1)f'(1) und f′(3)f'(3).

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Das Dreieck hat die Grundseite 11 und die Höhe ln⁡2≈0,69\ln 2 \approx 0{,}69, also f′(0)=ln⁡2≈0,693f'(0) = \ln 2 \approx 0{,}693. Wegen f′(x)=ln⁡2⋅2xf'(x) = \ln 2 \cdot 2^x ist f′(1)=2ln⁡2≈1,386f'(1) = 2 \ln 2 \approx 1{,}386 und f′(3)=8ln⁡2≈5,545f'(3) = 8 \ln 2 \approx 5{,}545. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Größer oder kleiner?

Ohne Rechner: Liegt der Graph der Ableitung von f(x)=3xf(x) = 3^x über oder unter dem von ff? Begründe mit der Lage von 33 und ee.

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3>e3 > e, also ln⁡3>ln⁡e=1\ln 3 > \ln e = 1. Damit ist f′(x)=ln⁡3⋅3x>3x=f(x)f'(x) = \ln 3 \cdot 3^x > 3^x = f(x) für alle xx: Der Graph von f′f' liegt überall über dem von ff (Faktor ln⁡3≈1,099\ln 3 \approx 1{,}099). In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Tangente an der Stelle 2

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Stelle die Gleichung der Tangente an y=exy = e^x im Punkt P(2∣e2)P(2 \mid e^2) auf und bestimme ihre Nullstelle.

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m=f′(2)=e2≈7,389m = f'(2) = e^2 \approx 7{,}389. t:y=e2⋅(x−2+1)=e2⋅(x−1)≈7,389x−7,389t: y = e^2 \cdot (x - 2 + 1) = e^2 \cdot (x - 1) \approx 7{,}389x - 7{,}389. Nullstelle: x=1=x0−1x = 1 = x_0 - 1. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Tangente durch den Ursprung

In welchem Punkt PP geht die Tangente an y=exy = e^x durch den Ursprung? Gib ihre Gleichung an.

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Die Tangente schneidet die xx-Achse bei x0−1x_0 - 1. Das ist 00 für x0=1x_0 = 1, also P(1∣e)P(1 \mid e) und t:y=e⋅x≈2,718xt: y = e \cdot x \approx 2{,}718x. In der Simulation zeigen

Aufgabe 5: Zinseszins

a) Berechne (1+14)4\left(1 + \frac{1}{4}\right)^4 (vierteljährliche Verzinsung) und vergleiche mit n=12n = 12. b) Um wie viel liegt die tägliche Verzinsung (n=365n = 365) noch unter ee? c) Realistischer: 5 %5\,\% Jahreszins, monatlich verzinst. Vergleiche (1+0,0512)12\left(1 + \frac{0{,}05}{12}\right)^{12} mit e0,05e^{0{,}05}.

Lösung anzeigen

a) 1,254=2,44141{,}25^4 = 2{,}4414; bei n=12n = 12 sind es 2,61302{,}6130. Zeigen

b) e−2,7146≈0,0037e - 2{,}7146 \approx 0{,}0037. Zeigen

c) (1+0,0512)12≈1,05116\left(1 + \frac{0{,}05}{12}\right)^{12} \approx 1{,}05116 und e0,05≈1,05127e^{0{,}05} \approx 1{,}05127: Aus 1000 €1000\,€ werden 1051,16 €1051{,}16\,€ bzw. bei „stetiger“ Verzinsung 1051,27 €1051{,}27\,€ – der Unterschied ist sehr klein. (Diese Teilaufgabe rechnet man von Hand; die Simulation zeigt nur 100 %100\,\%.)

Aufgabe 6: Spiegeln

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Der Punkt P(2∣e2)P(2 \mid e^2) liegt auf dem Graphen von exe^x. Welcher Punkt liegt dann auf dem Graphen von ln⁡x\ln x? Berechne damit ln⁡(7,389)\ln(7{,}389) näherungsweise.

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Spiegeln an y=xy = x vertauscht die Koordinaten: P′(e2∣2)≈(7,389∣2)P'(e^2 \mid 2) \approx (7{,}389 \mid 2), also ln⁡(7,389)≈2\ln(7{,}389) \approx 2 (genau: ln⁡(e2)=2\ln(e^2) = 2). In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe, natürliche Exponentialfunktion. Die Ansicht „Die besondere Basis“ eignet sich als Einstieg: Die Frage „Gibt es eine Exponentialfunktion, die mit ihrer Ableitung übereinstimmt?“ lässt sich durch Ziehen am Punkt (1∣b)(1 \mid b) erforschen, bevor ee benannt wird.
  • Ableitung von bxb^x: Die Formel f′(x)=ln⁡b⋅bxf'(x) = \ln b \cdot b^x setzt die Kettenregel (bx=exln⁡bb^x = e^{x \ln b}) voraus. Ohne sie kann man den konstanten Faktor auch rein numerisch entdecken: Die Wertetabelle berechnet f′f' mit dem Differenzenquotienten.
  • Zinseszins: Die Ansicht „e entsteht“ zeigt eine anschauliche Bedeutung von ee (stetige Verzinsung). Dass die Folge (1+1n)n\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n wirklich gegen ee konvergiert, wird hier nur sichtbar gemacht, nicht bewiesen.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „exe^x und xex^e sind dasselbe.“ – Bei exe^x steht die Variable im Exponenten; (xe)′=e⋅xe−1(x^e)' = e \cdot x^{e-1}.
    • „Die Ableitung von 2x2^x ist x⋅2x−1x \cdot 2^{x-1}.“ – Die Potenzregel gilt nur für xnx^n, nicht für Exponentialfunktionen.
    • „Der Graph von exe^x schneidet irgendwann die xx-Achse.“ – ex>0e^x > 0 für alle xx; die xx-Achse ist Asymptote.
    • Beim Spiegeln an y=xy = x wird oft an der xx-Achse gespiegelt; die Umkehrfunktion vertauscht xx und yy.
  • Aufgabenmodus: Mit info=0 und Teilen → Ergebnisse verdecken werden Werte im Bild und in den Ergebnissen verdeckt; Graphen, Tangente und Dreieck bleiben zum Ablesen sichtbar.