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Vorbereitung · zum Ausdrucken

Arbeitsblatt: Logarithmen – die Umkehrung der Exponentialfunktion

38 Aufgaben mit Platz zum Rechnen, dahinter das Lösungsblatt. Auf Papier steht die Tabelle so, wie sie gedacht ist: mit allen Spalten nebeneinander und Platz zum Rechnen dazwischen. Zur Aufgabenfolge

Logarithmen · Klasse 10

Logarithmen – die Umkehrung der Exponentialfunktion

Name: Datum:

Der Logarithmus ist die Umkehrung der Exponentialfunktion. Anders gesagt: Er beantwortet die Frage „Mit welcher Hochzahl muss ich aa potenzieren, damit ich bb bekomme?“

Formal: loga(b)=clog_a(b) = cac=ba^c = b.

Wenn a=10a = 10 (Zehner-Logarithmus), schreibt man oft einfach log\log.

Wenn a=e2,718a = e \approx 2{,}718 (natürlicher Logarithmus), schreibt man ln\ln.

Die Logarithmusgesetze spiegeln die Potenzgesetze in der Umkehrung:

  • loga(xy)=loga(x)+loga(y)log_a(x \cdot y) = log_a(x) + log_a(y) (Produkt → Summe)
  • loga(x/y)=loga(x)loga(y)log_a(x / y) = log_a(x) - log_a(y) (Quotient → Differenz)
  • loga(xn)=nloga(x)log_a(x^n) = n \cdot log_a(x) (Potenz → Faktor)

Damit kann man exponentielle Gleichungen wie at=ba^t = b lösen: t=loga(b)t = log_a(b) oder t=log(b)/log(a)t = \log(b) / \log(a).

Folge A: Direkt ablesen

Schreib für jede Gleichung die zugehörige Logarithmus-Form auf.

Nr. PotenzformLogarithmus-Form
1 102=10010^{2} = 100
2 103=100010^{3} = 1000
3 100=110^{0} = 1
4 101=0,110^{-1} = 0{,}1
5 23=82^{3} = 8
6 24=162^{4} = 16
7 52=255^{2} = 25
8 70=17^{0} = 1
9 (12)2=14(\frac{1}{2})^{2} = \frac{1}{4}

Folge B: Logarithmen ohne Taschenrechner

Berechne den Wert direkt im Kopf. (Frage: „mit welcher Hochzahl?“)

Nr. AufgabeAntwort
10 log2(32)log_2(32)
11 log3(81)log_3(81)
12 log5(125)log_5(125)
13 log10(10000)log_10(10000)
14 log2(1)log_2(1)
15 log2(14)log_2(\frac{1}{4})
16 log2(2)log_2(2)
17 log4(2)log_4(2)
18 log3(3)log_3(\sqrt{3})

Folge C: Anwendung der Logarithmusgesetze

Vereinfache mit den Gesetzen.

Nr. AufgabeVereinfachung
19 log(20)+log(5)\log(20) + \log(5)
20 log(30)log(3)\log(30) - \log(3)
21 log(8)log(4)\log(8) - \log(4)
22 2log(5)+log(4)2 \cdot \log(5) + \log(4)
23 log(125)2log(5)\log(125) - 2 \cdot \log(5)
24 log(x2)log(x)\log(x^{2}) - \log(x) (x > 0)
25 log(x3y2)log(xy)\log(x^{3} \cdot y^{2}) - \log(x \cdot y) (x, y > 0)

Folge D: Exponentielle Gleichungen lösen

Hier braucht man den Logarithmus als Werkzeug, um die Variable t zu isolieren.

Nr. GleichungLösungswegLösung
26 2t=642^t = 64
27 2t=10002^t = 1000
28 10t=5010^t = 50
29 1,05t=21{,}05^t = 2 (Verdopplung bei 5 % p.a.)
30 0,9t=0,50{,}9^t = 0{,}5 (Halbwertszeit bei 10 % Abnahme)
31 et=10e^t = 10
32 52t=805 \cdot 2^t = 80

Folge E: Basiswechsel und Plausibilität

In dieser Folge wird klar, dass die Basis nur bequemes Mittel ist – die Antwort ist immer dieselbe.

Nr. AufgabeAntwort
33 Berechne log2(8)log_2(8) und log(8)/log(2)\log(8) / \log(2) . Was fällt auf?
34 Berechne log5(125)log_5(125) über log(125)/log(5)\log(125) / \log(5) .
35 Berechne log2(7)log_2(7) über log(7)/log(2)\log(7) / \log(2) .
36 Berechne log2(7)log_2(7) über ln(7)/ln(2)\ln(7) / \ln(2) .
37 Wie groß ist log(0)\log(0) ?
38 Wie groß ist log(1)\log(-1) ?

Zum Nachdenken

  1. Aufgabe 3 zeigt: log(1)=0\log(1) = 0. Warum gilt das für jede Basis (also auch log2(1)=0log_2(1) = 0, log5(1)=0log_5(1) = 0, ...)?

  2. Vergleiche Aufgabe 26 (t=6t = 6 exakt) und Aufgabe 27 (t9,966t \approx 9{,}966). Warum ist die eine exakt und die andere nur näherungsweise?

  3. In Folge D, Aufgabe 29, geht es um die Verdopplungszeit bei 5 % Wachstum. Die Antwort ist ≈ 14,21 Jahre. Wie nahe ist das an der Faustregel „72/p“?

  4. Aufgabe 37 und 38: Warum ist der Logarithmus für 00 und negative Werte nicht definiert? Wie hängt das mit der Exponentialfunktion zusammen?

  5. Aufgaben 33–36 zeigen: Der Wert von loga(b)log_a(b) ist unabhängig davon, welche Basis man bei der Umrechnung verwendet. Warum?

Lösungsblatt · Logarithmen

Logarithmen – die Umkehrung der Exponentialfunktion

Folge A: Direkt ablesen

Nr. PotenzformLogarithmus-Form
1 102=10010^{2} = 100 log(100)=2\log(100) = 2
2 103=100010^{3} = 1000 log(1000)=3\log(1000) = 3
3 100=110^{0} = 1 log(1)=0\log(1) = 0
4 101=0,110^{-1} = 0{,}1 log(0,1)=1\log(0{,}1) = -1
5 23=82^{3} = 8 log2(8)=3log_2(8) = 3
6 24=162^{4} = 16 log2(16)=4log_2(16) = 4
7 52=255^{2} = 25 log5(25)=2log_5(25) = 2
8 70=17^{0} = 1 log7(1)=0log_7(1) = 0
9 (12)2=14(\frac{1}{2})^{2} = \frac{1}{4} log(12)(14)=2log_(\frac{1}{2})(\frac{1}{4}) = 2

Folge B: Logarithmen ohne Taschenrechner

Nr. AufgabeAntwort
10 log2(32)log_2(32) 5 (denn 2⁵ = 32)
11 log3(81)log_3(81) 44
12 log5(125)log_5(125) 33
13 log10(10000)log_10(10000) 44
14 log2(1)log_2(1) 00
15 log2(14)log_2(\frac{1}{4}) 2-2
16 log2(2)log_2(2) 11
17 log4(2)log_4(2) 1/2(denn4(1/2)=4=2)1/2 (denn 4^(1/2) = √4 = 2)
18 log3(3)log_3(\sqrt{3}) 12\frac{1}{2}

Folge C: Anwendung der Logarithmusgesetze

Nr. AufgabeVereinfachung
19 log(20)+log(5)\log(20) + \log(5) log(100)=2\log(100) = 2
20 log(30)log(3)\log(30) - \log(3) log(10)=1\log(10) = 1
21 log(8)log(4)\log(8) - \log(4) log(2)\log(2)
22 2log(5)+log(4)2 \cdot \log(5) + \log(4) log(25)+log(4)=log(100)=2\log(25) + \log(4) = \log(100) = 2
23 log(125)2log(5)\log(125) - 2 \cdot \log(5) log(125)log(25)=log(5)\log(125) - \log(25) = \log(5)
24 log(x2)log(x)\log(x^{2}) - \log(x) (x > 0) log(x2/x)=log(x)\log(x^{2}/x) = \log(x)
25 log(x3y2)log(xy)\log(x^{3} \cdot y^{2}) - \log(x \cdot y) (x, y > 0) log(x2y)\log(x^{2}y)

Folge D: Exponentielle Gleichungen lösen

Nr. GleichungLösungswegLösung
26 2t=642^t = 64 direkt: t=log2(64)t = log_2(64)t=6t = 6
27 2t=10002^t = 1000 t=log2(1000)=log1000log(2)t = log_2(1000) = \log\frac{1000}{\log}(2)t9,966t \approx 9{,}966
28 10t=5010^t = 50 t=log(50)t = \log(50)t1,699t \approx 1{,}699
29 1,05t=21{,}05^t = 2 (Verdopplung bei 5 % p.a.) t=log2log(1,05)t = \log\frac{2}{\log}(1{,}05)t14,21t \approx 14{,}21
30 0,9t=0,50{,}9^t = 0{,}5 (Halbwertszeit bei 10 % Abnahme) t=log0,5log(0,9)t = \log\frac{0{,}5}{\log}(0{,}9)t6,58t \approx 6{,}58
31 et=10e^t = 10 t=ln(10)t = \ln(10)t2,303t \approx 2{,}303
32 52t=805 \cdot 2^t = 80 erst durch 5: 2t=162^t = 16 , dann t=log2(16)t = log_2(16)t=4t = 4

Folge E: Basiswechsel und Plausibilität

Nr. AufgabeAntwort
33 Berechne log2(8)log_2(8) und log(8)/log(2)\log(8) / \log(2) . Was fällt auf? beide 3
34 Berechne log5(125)log_5(125) über log(125)/log(5)\log(125) / \log(5) . 33
35 Berechne log2(7)log_2(7) über log(7)/log(2)\log(7) / \log(2) . 2,807\approx 2{,}807
36 Berechne log2(7)log_2(7) über ln(7)/ln(2)\ln(7) / \ln(2) . ≈ 2,807 (identisch zu 35)
37 Wie groß ist log(0)\log(0) ? nichtdefiniert(esgibtkeinxmit10x=0).nicht definiert (es gibt kein x mit 10^x = 0).
38 Wie groß ist log(1)\log(-1) ? nichtdefiniertindenreellenZahlen(10xistimmerpositiv).nicht definiert in den reellen Zahlen (10^x ist immer positiv).