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Kurs

Logarithmus

1 Einführendes Beispiel

Beispiel

Sportschuhe verlieren im Lauf eines Jahres 10%10\% ihrer Dämpfungsfähigkeit.

Wann ist die Dämpfung nur noch ein Drittel so groß wie zu Anfang?

(Schätz mal, ehe du weiterliest!)

Bild

Wenn du das berechnen möchtest, könntest du so vorgehen:

Nach einem Jahr verschwinden 10%10\% der Dämpfung, also bleiben noch 90%90\%.

Nach dem nächsten Jahr bleiben noch 90%90\% von 90%90\%.

Jetzt siehst du. dass du besser statt 90%90\% mit 0,90{,}9 rechnest, dann ist der Anteil der ursprünglichen Dämpfung 0,90,9=0,810{,}9\cdot 0{,}9=0{,}81.

Nach dem dritten Jahr bleibt 0,90,90,9=(0,9)3=0,7210{,}9\cdot0{,}9\cdot0{,}9=(0{,}9)^3=0{,}721 übrig.

Das kannst du so weitermachen, bis du unter 13=0,3\frac{1}{3}=0,\overline{3} bist.

Ganz schön langweilig, was?

Besser geht es so:

Du siehst, dass du nach nn Jahren noch eine Dämpfung von 0,9n0{,}9^n hast.

Die Frage ist:

Für welches nn ist erstmals 0,9n<130{,}9^n<\frac{1}{3}?

Du musst also eine Gleichung nach dem Exponenten auflösen.

In diesem Kurs lernst du, wie du aus der Gleichung

0,9n=13\displaystyle 0{,}9^n=\frac{1}{3}

die Lösung n=10,427n=10{,}427\ldots bekommst.

Die Dämpfung ist also nach 1111 Jahren erstmals kleiner als ein Drittel der ursprünglichen.

2 Was ist ein Logarithmus?

BeachteNötiges Vorwissen:

Für diesen Kurs musst du die Potenzrechnung kennen.

Der Logarithmus kommt als Erstes in der Potenzrechnung vor.

Sieht dir mal dieses Beispiel an:

23=8\displaystyle 2^3=8

Jetzt kannst du jede Zahl durch ein "xx" ersetzen und nach der Lösung fragen:

  • 23=x2^3=x ist eine Potenzaufgabe, die Lösung x=8x=8 erhältst du als x=23=222=8.x=2^3=2\cdot2\cdot2=8.

  • x3=8x^3=8 wird durch Wurzelziehen gelöst: x3=8x=83=2x^3=8 \Leftrightarrow x=\sqrt[3]{8}=2

  • Zur Lösung von 2x=82^x=8 brauchst du den Logarithmus:

Natürlich weißt du schon, dass die Lösung x=3x=3 ist. Das schreibst du so:

log2(8)=3\log_2(8)=3. Gelesen wird das als: "Der Logarithmus von 88 zur Basis 22 ist 3".

Merke

Allgemein bedeutet x=loga(b)x=\log_a(b):

"xx ist die Zahl, mit der ich aa potenzieren muss, um bb zu erhalten".

Als Formel ist das

aloga(b)=b\displaystyle a^{\log_a(b)}=b

loga(b)\log_a(b) wird als "Logarithmus von bb zur Basis aa" ausgesprochen.

Andersherum erklärt:

loga(ab)=b\displaystyle \log_a(a^b)=b

Der Logarithmus von aba^b zur Basis aa ist gerade bb.

In diesem Beispiel ist es:

"Der Logarithmus von 88 zur Basis 22 ist 3, weil 23=82^3=8 ist."

BeachteVoraussetzungen an aa und bb:

aa und bb müssen positiv sein, und aa darf nicht 11 sein,

also a>0, a1a>0,\ a\neq 1 und b>0b>0.

In diesem Kurs kannst du lernen:

  1. Wie man Logarithmen in einfachen Fällen berechnet

  2. Wie man Logarithmen mit dem Taschenrechner berechnet

  3. Welche Rechenregeln es gibt

  4. Welche Basen besondere Bedeutung haben - dann haben die Logarithmen besondere Namen

  5. Wo man Logarithmen anwenden kann

  6. Wo du weitere Informationen bekommst

Du musst nicht alles durchgehen - für den Anfang reichen die Punkte 1-4. Aber vielleicht hast du ja Interesse und guckst dir den Rest auch an.

3 Erste Beispiele

Ein paar ganz einfache Logarithmen

  • log3(9)=2 \log_{\color{red}3}({\color{blue}9})=2, denn 32=9{\color{red}3}^2={\color{blue}9}

  • log3(81)=4 \log_{\color{red}3}({\color{blue}81})=4, denn 34=81{\color{red}3}^4={\color{blue}81}

  • log10(1000)=3 \log_{\color{red}10}({\color{blue}1000})=3, denn 103=1000{\color{red}10}^3={\color{blue}1000}

  • log10(1)=0 \log_{\color{red}10}({\color{blue}1})=0, denn 100=1{\color{red}10}^0={\color{blue}1}

  • Weil a0=1{\color{red}a}^0={\color{blue}1} für jede positive Zahl aa ist, ist immer loga(1)=0\log_{\color{red}a}({\color{blue}1})=0.

Logarithmen können auch negativ sein

  • log3(19)=2 \log_{\color{red}3}({\color{blue}\frac{1}{9}})=-2, denn 32=132=19{\color{red}3}^{-2}={\color{blue}\frac{1}{3^2}=\frac{1}{9}}

  • log3(181)=4 \log_{\color{red}3}({\color{blue}\frac{1}{81}})=-4, denn 34=134=181{\color{red}3}^{-4}={\color{blue}\frac{1}{3^4}=\frac{1}{81}}

  • log10(11000)=3 \log_{\color{red}10}({\color{blue}\frac{1}{1000}})=-3, denn 103=1103=11000{\color{red}10}^{-3}={\color{blue}\frac{1}{10^3}=\frac{1}{1000}}

Logarithmen haben nicht nur ganzzahlige Werte

  • log9(3)=12 \log_{\color{red}9}({\color{blue}3})=\frac{1}{2}, denn 91/2=9=3{\color{red}9}^{1/2}={\color{blue}\sqrt{9}=3}

  • log81(3)=14 \log_{\color{red}81}({\color{blue}3})=\frac{1}{4}, denn 811/4=814=3{\color{red}81}^{1/4}={\color{blue}\sqrt[4]{81}=3}

  • log1000(10)=13 \log_{\color{red}1000}({\color{blue}10})=\frac{1}{3}, denn 10001/3=10003=10{\color{red}1000}^{1/3}={\color{blue}\sqrt[3]{1000}=10}

Und auch das ist möglich

  • log19(3)=12 \log_{\color{red}\frac{1}{9}}({\color{blue}3})=-\frac{1}{2}, denn (19)1/2=91/2=9=3{\color{red}\big(\frac{1}{9}\big)}^{-1/2}={\color{blue}9^{1/2}=\sqrt{9}=3}

  • log181(3)=14 \log_{\color{red}\frac{1}{81}}({\color{blue}3})=-\frac{1}{4}, denn (181)1/4=811/4=814=3{\color{red} \big(\frac{1}{81}\big)}^{-1/4}={\color{blue}81^{1/4}=\sqrt[4]{81}=3}

  • log19(13)=12 \log_{\color{red}\frac{1}{9}}({\color{blue}\frac{1}{3}})=\frac{1}{2}, denn (19)1/2=191/2=19=13{\color{red}\left(\frac{1}{9}\right)}^{1/2}={\color{blue}\frac{1}{9^{1/2}}=\frac{1}{\sqrt{9}}=\frac{1}{3}}

Denkst du, dass du selbst nicht auf diese Werte gekommen wärst? Hier findest du ein systematisches Verfahren, um diese Logarithmen zu bestimmen.

4 Aufgaben

Aufgabe 1

Bestimme die Logarithmen:

  1. log2(4)\log_2(4)

  2. log5(125)\log_5(125)

  3. log6(36)\log_6(36)

  4. log17(1)\log_{17}(1)

  5. log4(64)\log_4(64)

Aufgabe 2

Bestimme die Logarithmen

  1. log2(14)\log_2(\frac{1}{4})

  2. log3(13)\log_3(\frac{1}{3})

  3. log5(125)\log_5(\frac{1}{25})

  4. log7(149)\log_7(\frac{1}{49})

Aufgabe 3

Berechne die Logarithmen

  1. log4(2)\log_{4}(2)

  2. log162\log_{16}{2}

  3. log100(10)\log_{100}(10)

  4. log216(6)\log_{216}(6)

Aufgabe 4

Zwischen welchen ganzen Zahlen liegen die Logarithmen?

Beispielrechnung:

log2(7)\log_2(7): es ist 4=22<7<8=234=2^2< 7 < 8=2^3. Darum liegt log2(7)\log_2(7) zwischen 22 und 33.

  1. log5(17)\log_5(17)

5 Berechnung einfacher Logarithmen

Der Logarithmus einer Zahl bb zur Basis aa lässt sich ohne Rechner nur dann bestimmen, wenn die Basis aa und die Zahl bb beide (ganzzahlige) Potenzen einer gemeinsamen Zahl cc sind.

Hört sich das kompliziert an? Ist aber gar nicht so schlimm.

Was du dann machst, wird am Beispiel log4(8)\log_4(8) erklärt.

Allgemeines Verfahren

a=4a=4 ist die Basis, die Frage ist, welche Potenz von 44 den Wert b=8b=8 hat.

Finde nun eine Zahl cc, so dass sowohl 44 wie auch 88 Potenzen dieser Zahl sind.

Die beste Wahl ist c=2c=2, denn 4=224=2^2 und 8=238=2^3 sind ganzzahlige Potenzen von 22.

Erinnere dich, dass x=log4(8)x=\log_4(8) diejenige Zahl ist, die 4x=84^x=8 löst.

Damit fängst du einfach an:

4x\displaystyle 4^x==8\displaystyle 8

Benutze, dass beide Zahlen Potenzen von 22 sind

(22)x\displaystyle (2^2)^x==23\displaystyle 2^3

Verwende (rs)t=rst(r^s)^t=r^{s\cdot t}

22x\displaystyle 2^{2x}==23\displaystyle 2^3

Vergleiche die Exponenten

2x\displaystyle 2x==3\displaystyle 3

Löse auf

x\displaystyle x==32\displaystyle \frac{3}{2}

Damit hast du log48=32\log_4{8}=\frac{3}{2} berechnet.

Ein Logarithmus aus der Seite "Erste Beispiele"

Bestimme log19(3)\log_\frac{1}{9}(3).

Vorüberlegung: Der Kehrwert von 19\frac{1}{9} ist 99, und das ist 323^2. Damit ist 19=32\frac{1}{9}=3^{-2}.

Als gemeinsame Zahl cc kann man also die 33 verwenden.

(19)x\displaystyle \left(\frac{1}{9}\right)^x==3\displaystyle 3

Ersetze 19\frac{1}{9} durch 323^{-2} und 33 durch 313^1

(32)x\displaystyle (3^{-2})^x==31\displaystyle 3^1

Verwende (rs)t=rst(r^s)^t=r^{s\cdot t}

32x\displaystyle 3^{-2x}==31\displaystyle 3^1

Vergleiche die Exponenten

2x\displaystyle -2x==1\displaystyle 1

Löse auf

x\displaystyle x==12\displaystyle -\frac{1}{2}

Damit hast du log19(3)=12\log_\frac{1}{9}(3)=-\frac{1}{2} berechnet.

Vorschlag:

Wenn du dir noch nicht sicher bist, rechne die anderen Logarithmen der Ersten Beispiele mit dieser Methode selbst aus.

6 Aufgaben zu einfachen Logarithmen

Aufgabe 1

Berechne die Logarithmen

  1. log8(16)\log_8(16)

  2. log16(8)\log_{16}(8)

  3. log100(1000)\log_{100}(1000)

  4. log4(18)\log_4(\frac{1}{8})

  5. log19(27)\log_\frac{1}{9}(27)

7 Berechnung mit dem Taschenrechner

Die meisten Taschenrechner haben keine Funktion für allgemeine Logarithmen.

Aber zwei besondere Logarithmen sind in der Regel dabei:

  • log\log bedeutet log10\log_{10}, also den Logarithmus zur Basis 10 10 (der sogenannte dekadische Logarithmus ld{\mathsf ld}).

  • ln\ln bedeutet loge\log_{e}, also den Logarithmus zur Basis der Eulerschen Zahl e e (der sogenannte natürliche Logarithmus ).

Damit kannst du Logarithmen zu einer beliebigen Basis bestimmen (du kannst eine der Tasten benutzen, aber du darfst das innerhalb einer Rechnung nicht mischen). Hier wird es einfach mit der log\log-Taste erklärt.

Merke

Ein beliebiger Logarithmus wird durch

loga(b)=log(b)log(a)\displaystyle \log_a(b)=\frac{\log (b)}{\log(a)}

berechnet.

Eselsbrücke: das aa ist am Logarithmus-Symbol unten, also kommt log(a)\log(a) auch in der Nenner.

Beispiel 1

Berechne log2(4)\log_2(4) mit dem Taschenrechner.

Tippe log(4):log(2)\log(4):\log(2) in den Taschenrechner ein und drücke die ==-Taste. Dann siehst du, dass der Wert log2(4)=2\log_2(4)=2 ist.

Beispiel 2

Jetzt löst du das Problem aus dem Einführenden Beispiel:

(0,9)n\displaystyle \left(0{,}9\right)^n==13\displaystyle \frac{1}{3}

Umschreiben auf Logarithmus mit der Basis 0,90{,}9

n\displaystyle n==log0,9(13)\displaystyle \log_{0{,}9}(\frac{1}{3})

Logarithmus umschreiben

n\displaystyle n==log(13)log(0,9)\displaystyle \frac{\log(\frac{1}{3})}{\log(0{,}9)}

in den Taschenrechner eintippen

n\displaystyle n10,427\displaystyle 10{,}427

Wenn du dem nicht traust, kannst du auch eine Probe machen (du hast ja den Taschenrechner noch da liegen):

(0,9)100,349(0{,}9)^{10}\approx 0{,}349

(0,9)110,314(0{,}9)^{11}\approx 0{,}314

Also ist die Dämpfung wirklich nach 1111 Jahren erstmals unter ein Drittel gesunken.

VorsichtRundungfehler

Der Taschenrechner arbeitet mit angenäherten Werten. Daher kann es in seltenen Fällen dazu kommen, dass z.B. statt dem exakten Wert 44 ein Ergebnis wie 3,99999993{,}9999999 angezeigt wird.

8 Rechenregeln

Hier sind die wichtigsten Rechenregeln zusammengestellt.

MerkeGrundlagen
loga(a)=1loga(1)=0loga(ab)=baloga(b)=b\displaystyle \log_a(a)=1\\\log_a(1)=0\\\log_a(a^b)=b\\a^{\log_a(b)}=b
MerkeSumme und Differenz von Logarithmen
loga(b)+loga(c)=loga(bc)loga(b)loga(c)=loga(bc)\displaystyle \log_a(b)+\log_a(c)=\log_a(b\cdot c)\\\log_a(b)-\log_a(c)=\log_a\left(\frac{b}{c}\right)

Beispiele

  1. log2(16)=log2(28)=log2(2)+log2(8)=1+3=4\log_2(16)=\log_2(2\cdot8)=\log_2(2)+\log_2(8)=1+3=4, \\denn wegen 21=22^1=2 ist log2(2)=1\log_2(2)=1 und wegen 23=82^3=8 ist log2(8)=3\log_2(8)=3. \\Weil 24=162^4=16 ist, ist auch der linken Seite log2(16)=4\log_2(16)=4 und die Gleichung stimmt.

  2. log3(6)=log5(23)=log5(2)+log5(3)\log_3(6)=\log_5(2\cdot3)=\log_5(2)+\log_5(3)

  3. log3(13)=1\log_3(\frac{1}{3})=-1, da 31=133^{-1}=\frac{1}{3} ist.\\log3(3)=1\log_3(3)=1 (klar, nicht wahr?) und wegen 32=93^2=9 ist log3(9)=2\log_3(9)=2. \\Die Gleichung 13=39\frac{1}{3}=\frac{3}{9} ist dann mit Logarithmen\\1=log3(13)=log3(39)=log3(3)log3(9)=12=1-1=\log_3(\frac{1}{3})=\log_3(\frac{3}{9})=\log_3(3)-\log_3(9)=1-2=-1

Vorsicht

Es gibt keine allgemeine Regel für loga(b±c)\log_a(b\pm c)!

MerkeVielfache von Logarithmen und Logarithmen von Potenzen

Für alle reellen Zahlen rr gilt

loga(br)=rloga(b)\displaystyle \log_a(b^r)=r\cdot \log_a(b)

Insbesondere ist für r=1r=-1

loga(1b)=loga(b1)=loga(b)\displaystyle \log_a\left(\frac{1}{b}\right)=\log_a(b^{-1})=-\log_a(b)

Beispiele

  1. Wegen 43/2=84^{3/2}=8 ist log4(8)=32\log_4(8)=\frac{3}{2}.

  2. Daher ist log4(18)=32\log_4(\frac{1}{8})=-\frac{3}{2}

  3. log4(8)\log_4(8) kann man jetzt auch berechnen, indem man 8=64=641/28=\sqrt{64}=64^{1/2} und 444=43=644\cdot4\cdot4=4^3=64 benutzt:\\aus log4(64)=3\log_4(64)=3 folgt log4(8)=log4(641/2)=12log4(64)=123=32\log_4(8)=\log_4(64^{1/2})=\frac{1}{2}\log_4(64)=\frac{1}{2}\cdot3=\frac{3}{2}

9 Aufgaben

Diese Aufgaben sind alle ohne Taschenrechner lösbar.

Aufgabe 1

Fasse zu einem Logarithmus zusammen und werte aus. Alle Ergebnisse sind ganzzahlig.

  1. log3(6)log3(2)\log_3(6)-\log_3(2)

  2. log6(4)+log6(9)\log_6(4)+\log_6(9)

  3. log5(30)log5(12)+log5(2)\log_5(30)-\log_5(12)+\log_5(2)

  4. log2(6)log2(24)\log_2(6)-\log_2(24)

  5. log5(10)+log5(20)+log5(2)log5(16)\log_5(10)+\log_5(20)+\log_5(2)-\log_5(16)

Aufgabe 2

Fasse zu einem Logarithmus zusammen

  1. 32log8(4)\displaystyle\frac{3}{2}\log_8(4)

  2. 2log7(3)2\log_7(3)

  3. 12log7(25)\displaystyle\frac{1}{2}\log_7(25)

  4. 2log1/2(4)-2\log_{1/2}(4)

Aufgabe 3

  1. log3(36)2log3(2)\log_3(36)-2\cdot\log_3(2)

  2. 16log4(2)16\cdot\log_4(2)

10 Besondere Basen

Es gibt drei häufig verwendete Basen:

Logarithmus zur Basis 1010

Dieser Logarithmus heißt auch Zehnerlogarithmus oder dekadischer Logarithmus und wird auch mit ld\mathrm{ld} bezeichnet.

Auf deinem Taschenrechner bekommst du ihn mit der log\log-Taste.

Dieser Logarithmus ist so wichtig, weil er in unserem Zehnersystem am besten zu berechnen ist.

Logarithmus zur Basis ee (natürlicher Logarithmus)

ee ist dabei die Eulersche Zahl e2,71e\approx 2{,}71.

Die Wichtigkeit dieses Logarithmus hat mathematische Gründe: er taucht in der Mathematik an einigen Stellen "ganz von alleine" auf. Vielleicht kommt daher das Wort "natürlich".

Auf deinem Taschenrechner bekommst du ihn mit der ln\ln-Taste.

Außerdem ist dieser Logarithmus am einfachsten durch Computerprogramme (wie im Taschenrechner) zu berechnen.

Logarithmus zur Basis 2

Dieser Logarithmus hat einige Anwendungen in der Informatik und wird mit lb\mathrm{lb} bezeichnet.

Da man alle Logarithmen ineinander umrechnen kann, kann man sich für den Schulgebrauch zunächst bei Berechnungen auf den Zehnerlogarithmus beschränken.

11 Basisumrechnung

Wenn du den Logarithmus einer Zahl aa zu einer Basis bb hast, kannst du den Logarithmus von aa zu einer anderen Zahl leicht berechnen:

MerkeUmrechnung von Logarithmen
logc(b)=logc(a)loga(b)=loga(b)loga(c)\displaystyle \log_{\color{blue}c}(b)= \log_{\color{blue}c}({\color{red}a}) \log_{\color{red}a}(b)=\frac{\log_{\color{red}a}(b)}{\log_{\color{red}a}({\color{blue}c})}

Beispiele

1) Weil 23=82^3=8 ist, ist log2(8)=3\log_2(8)=3.

Wenn du weißt, dass 83=5128^3=512 ist, was ist dann der Logarithmus von 512512 zur Basis 22?

Antwort: Wir wissen, dass log8(512)=3\log_8(512)=3 ist.

Daher ist log2(512)=log2(8)log8(512)=33=9\log_2(512)=\log_2(8)\cdot\log_8(512)=3\cdot3=9

(und das stimmt auch, weil 29=5122^9=512 ist.)

2) Was ist log1/3(81)\log_{1/3}(81)?

Antwort: du weißt, dass 34=813^4=81 ist, also log3(81)=4\log_3(81)=4.

Außerdem ist 13=31,\dfrac{1}{3}=3^{-1}, also auch (13)1=3\left(\dfrac{1}{3}\right)^{-1}=3 und damit log1/3(3)=1\log_{1/3}(3)=-1.

Also ist log1/3(81)=log1/3(3)log3(81)=(1)4=4\log_{1/3}(81)=\log_{1/3}(3)\cdot\log_3(81)=(-1)\cdot4=-4.

Daraus erhält man eine weitere Regel:

Merke

loga(b)=1logb(a)\displaystyle \log_a(b)=\frac{1}{\log_b(a)}

12 Anwendung von Logarithmen

13 Weitere Informationen

Logarithmusfunktion

allgemein e Potenz

Wie berechnet ein Taschenrechner die siebte Wurzel aus 5?


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