Elementare Funktionen

Elementare Funktionen

Exponentialfunktion

#Definition : Exponentialfunktion

exp:RR. Wir schreiben auch exp(x)=ex
!AnaI LinA Ing Skript, p.47

exp(x):=k=0xkk!:=limnk=0nxkk!.

Die Zahl e:=exp(1) heißt die Eulersche Zahl: e2.71828182845904

Eigenschaften der Exponentialfunktion

  1. exp(x) ist differenzierbar mit (exp(x))=exp(x)
  2. exp(0)=limnk=0n0kk!=limn1=1.
  3. Funktionalgleichung: exp(x1+x2)=exp(x1)exp(x2).
  4. 1exp(x)=exp(x).
  5. exp(x)>0 für alle xR.
  6. exp ist streng monoton wachsend, denn exp(x)=exp(x)>0 für alle xR.
  7. exp:R]0,[
  8. exp(x) ist Bijektiv: Injektiv (da streng monoton wachsend) und surjektiv (wegen limxexp(x)=0 und limx+exp(x)=+ und dem Zwischenwertsatz), also bijektiv und damit umkehrbar.

Logarithmus

#Definition : natürlicher Logarithmus

Der natürliche Logarithmus ist die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion und wird an der Winkelhalbierenden y=x gespiegelt.
ln(ex)=x für alle xR, eln(x)=x für alle xR
!AnaI LinA Ing Skript, p.48

Eigenschaften des natürlichen Logarithmus

  1. ln(1)=0
  2. Funktionalgleichung: ln(xy)=ln(x)+ln(y) für alle x,y>0
  3. ln(1x)=ln(x) für alle x>0
  4. ln(xy)=ln(x)ln(y) für alle x,y>0
  5. ln(xn)=nln(x) für alle x>0 und nZ
  6. ln ist streng monoton wachsend und limnln(x)= und limnln(x)=
  7. ln:]0,[R ist bijektiv
  8. ln(x)=1x für alle xR

Logarithmus zur Basis a

#Definition Logarithmus zur Basis a

Für a>0, a1, ist ax somit injektiv und damit umkehrbar. Die Umkehrfunktion ist der Logarithmus zur Basis a:

loga:]0,[R,xloga(x).

Es ist per Definition

ay=xloga(x)=y.

Für a=e ist loge(x)=ln(x) der natürliche Logarithmus.
Der Logarithmus zur Basis a lässt sich durch den natürlichen Logarithmus darstellen: Aus aloga(x)=x folgt

ln(x)=ln(aloga(x))=loga(x)ln(a),

also

loga(x)=ln(x)ln(a).

Daher gelten für loga die gleichen Rechenregeln wie für ln.

!AnaI LinA Ing Skript, p.198

#Satz Rechenregeln für den Logarithmus zur Basis a). Für a,x,y>0 gilt

  1. loga(xy)=loga(x)+loga(y),
  2. loga(xb)=bloga(x),
  3. loga(1x)=loga(x),
  4. loga(xy)=loga(x)loga(y).

Allgemeine Potenzfunktion

#Definition allgemeine Potenz

Für a>0 und bR definieren wir

ab:=exp(bln(a)).

Dabei heißt a Basis und b Exponent. Das ergibt insbesondere zwei Funktionen:

  1. die allgemeine Potenz ax,
  2. die Potenzfunktion xb.

Für die allgemeine Potenz gelten ähnliche Rechenregeln wie für die Exponentialfunktion.

Rechenregeln für die allgemeine Potenz

Für reelles a>0, für alle x,yR und für alle nN gilt:

  1. xax ist stetig und beliebig oft differenzierbar,
  2. a0=1,
  3. ax+y=axay,
  4. ax=1ax,
  5. ax>0,
  6. ln(ax)=xln(a),
  7. (ax)y=axy,
  8. an=aan mal,
  9. a1n=an, wobei nN{0},
  10. apq=apq, wobei pZ und qN{0},
  11. ex=exp(x).

Für a>0 ist die Funktion ax auf ganz R differenzierbar mit

(ax)=ln(a)ax.

Insbesondere gilt:

(1) Für a>1 ist ln(a)>0, also ax streng monoton wachsend.
(2) Für a=1 ist ln(a)=0, also ax=1 konstant.
(3) Für a<1 ist ln(a)<0, also ax streng monoton fallend.

Für bR und x>0 ist

(xb)=bxb1.

Insbesondere ist

(x)=12x.

Für x>0 ist

(xx)=xx(ln(x)+1).

!AnaI LinA Ing Skript, p.197

#Definition Komplexe Exponentialfunktion

Die Exponentialreihe konvergiert für alle komplexen Zahlen z:

exp(z)=k=0zkk!=1+z+z22+z33!+,

wodurch die komplexe Exponentialfunktion exp:CC definiert wird. Für z=x+iy mit reellen x,y gilt allgemein

exp(z)=exp(x+iy)=exp(x)exp(iy)=exp(x)(cos(y)+isin(y)).
#Definition Komplexer Logarithmus

Für z=|z|eiφ0 definiert man

log(z):=ln(|z|)+iφ,φ=arg(z),

wobei φ[0,2π[.

Mehr dazu in „Analysis III für Ingenieurwissenschaften“.

2025-06-19 AnaLinA learning

Elementare Funktionen

cos(x+2π)=cos(x)cos(2π)sin(x)sin(2π)=cos(x),sin(x+2π)=sin(x)cos(2π)+cos(x)sin(2π)=sin(x),cos(x+π)=cos(x)cos(π)sin(x)sin(π)=cos(x),sin(x+π)=sin(x)cos(π)+cos(x)sin(π)=sin(x).
#Definition Tangens und Cotangens

Der Tangens ist

tan(x)=sin(x)cos(x),xπ2+kπ,kZ,

und ist in R außer in den Nullstellen des Cosinus definiert. Der Cotanges ist

cot(x)=cos(x)sin(x),xkπ,kZ.
tan(x)=(sin(x)cos(x))=sin(x)cos(x)sin(x)cos(x)cos(x)2=cos(x)cos(x)+sin(x)sin(x)cos(x)2=cos(x)2+sin(x)2cos(x)2={1cos(x)21+tan(x)2.

Arcusfunktionen

Ableitungen der Arcusfunktionen

#Satz Ableitungen der Arcus-Funktionen

Im Inneren ihres jeweiligen Definitionsbereichs sind:

arcsin(x)=11x2,1<x<1,arccos(x)=11x2,1<x<1,arctan(x)=11+x2,xR.

Hyperbolische Funktionen

#Definition Hyperbelfunktionen

Die Hyperbelfunktionen sind der Cosinus hyperbolicus cosh:RR,

cosh(x)=ex+ex2,

und der Sinus hyperbolicus sinh:RR,

sinh(x)=exex2.

!AnaI LinA Ing Skript, p.205

Für die hyperbolischen Funktionen gilt:

  1. cosh2(x)sinh2(x)=1 für alle xR.
  2. cosh(x)=sinh(x), sinh(x)=cosh(x).
  3. cosh ist eine gerade Funktion: cosh(x)=cosh(x) für alle xR.
  4. sinh ist eine ungerade Funktion: sinh(x)=sinh(x) für alle xR.
  5. Es ist sinh:RR bijektiv. Die Umkehrfunktion heißt Area Sinus hyperbolicus und erfülltarsinh(x)=ln(x+x2+1)für alle xR.
  6. Es ist cosh:[0,[[1,[ bijektiv. Die Umkehrfunktion heißt Area Cosinus hyperbolicus und erfülltarcosh(x)=ln(x+x21)für alle x1.

Aus der Taylorreihe der Exponentialfunktion bekommen wir die Taylorreihen der hyperbolischen Funktionen:

cosh(x)=k=0x2k(2k)!,sinh(x)=k=0x2k+1(2k+1)!.

Weiter kann man den Tangens hyperbolicus und Cotanges hyperbolicus definieren:

tanh(x)=sinh(x)cosh(x)=exexex+ex,coth(x)=cosh(x)sinh(x).

Der Tangens hyperbolicus ist eine bijektive Funktion von R nach ]1,1[.

!AnaI LinA Ing Skript, p.206

Die Ableitungen der elementaren Funktionen

f(x) f'(x) Bemerkungen
xn nxn1 n=1,2,3,
exp(x) exp(x)
ax axln(a) a>0,xR
ln(|x|) 1x x0
loga(|x|) 1xln(a) a>0,x>0,loga(x)=ln(x)ln(a)
xa axa1 x>0,aR
sin(x) cos(x)
cos(x) sin(x)
tan(x) 1+tan(x)2=1cos(x)2 xπ2+kπ,kZ
cot(x) 1cot(x)2=1sin(x)2 xkπ,kZ
arcsin(x) 11x2 |x|<1
arccos(x) 11x2 |x|<1
arctan(x) 11+x2
arccot(x) 11+x2
cosh(x) sinh(x)
sinh(x) cosh(x)
tanh(x) 1tanh(x)2=1cosh(x)2
coth(x) 1coth(x)2=1sinh(x)2
arsinh(x) 11+x2
arcosh(x) 1x21 x]1,[
artanh(x) 11x2 |x|<1