Exponentialfunktionen

Nimm ein Blatt Papier und falte es in der Mitte. Du hast 2 Lagen. Falte es noch einmal — 4 Lagen. Dann 8, 16, 32. Jedes Falten verdoppelt die Anzahl der Lagen. Nach x Faltungen hast du 2ˣ Lagen.

Dieses „immer wieder mit derselben Zahl multiplizieren“ beschreibt die Exponentialfunktion. Die Variable x steht hier nicht in der Basis, sondern im Exponenten — daher der Name.

Eine Exponentialfunktion hat den Term y = aˣ, wobei die Basis a eine positive Zahl ungleich 1 ist. Man liest „y gleich a hoch x“.


Inhalt


Wertetabelle und Graph

Berechnen wir die Werte von y = 2ˣ für einige ganze Zahlen x:

x−2−10123
y = 2ˣ¼½1248

Dir fallen zwei Dinge auf:

  • Ein Schritt nach rechts (x um 1 größer) verdoppelt den Wert.
  • Ein Schritt nach links halbiert den Wert. Der Wert kommt der Null immer näher, wird aber nie null: ½, ¼, ⅛, …

Zur Erinnerung: 2⁰ = 1, und ein negativer Exponent bedeutet den Kehrwert, zum Beispiel 2⁻² = 1/2² = ¼.

Graphen der Funktionen y = 2ˣ (orange), y = 3ˣ (schwarz durchgezogen) und y = (½)ˣ (schwarz gestrichelt); alle drei gehen durch den Punkt (0 | 1)

Auf dem Bild siehst du drei Exponentialfunktionen. Alle gehen durch den Punkt (0 | 1), denn jede positive Zahl hoch null ist 1.

  • y = 3ˣ wächst schneller als y = 2ˣ: größere Basis, steilerer Graph.
  • y = (½)ˣ ist das Spiegelbild von y = 2ˣ an der y-Achse. Bei einer Basis zwischen 0 und 1 ist die Funktion fallend.

Warum die Basis positiv und ungleich 1 sein muss

  • Basis 1: 1ˣ = 1 für jedes x. Das ist eine konstante Funktion, daran ist nichts exponentiell.
  • Negative Basis: (−2)^½ = √(−2) gibt es nicht. Die Funktion wäre für viele x nicht definiert.
  • Basis 0: 0⁻¹ = 1/0 ergibt keinen Sinn.

Deshalb gilt immer a > 0 und a ≠ 1 (man liest „a ist größer als null und ungleich eins“).


Eigenschaften der Exponentialfunktion

Eigenschafta > 1 (z. B. 2ˣ)0 < a < 1 (z. B. (½)ˣ)
Definitionsmengealle reellen Zahlen ℝalle reellen Zahlen ℝ
Wertemengeℝ⁺ = ]0; ∞[, nur positive Zahlenℝ⁺ = ]0; ∞[, nur positive Zahlen
Monotoniestreng monoton steigendstreng monoton fallend
Punkt des Graphen(0 | 1)(0 | 1)
Asymptotex-Achse, also y = 0 (links)x-Achse, also y = 0 (rechts)

Eine Asymptote ist eine Gerade, der sich der Graph immer weiter nähert, ohne sie je zu berühren. Bei y = 2ˣ ist das die x-Achse: Die Werte ½, ¼, ⅛ … kommen der Null immer näher, bleiben aber positiv.

💡 Die Funktion ist umkehrbar (eineindeutig) — jeden Wert nimmt sie nur einmal an. Deshalb hat sie eine Umkehrfunktion, den Logarithmus. Mehr dazu im Artikel Die Logarithmusfunktion.


Der verschobene Graph

Der Term y = a^(x − m) + n verschiebt den Graphen von y = aˣ:

  • um m nach rechts (bei negativem m nach links),
  • um n nach oben (bei negativem n nach unten).

Mit dem Graphen verschieben sich auch die Asymptote und der Punkt (0 | 1).

Beispiel

Skizziere den Graphen von y = 2^(x − 2) + 1.

  1. Die Asymptote verschiebt sich um 1 nach oben: y = 1.
  2. Der Punkt (0 | 1) verschiebt sich um 2 nach rechts und um 1 nach oben: (2 | 2). Dort ist der Exponent null: x − 2 = 0.
  3. Eine Einheit weiter rechts ist der Exponent 1: y = 2¹ + 1 = 3, also der Punkt (3 | 3).
  4. Die Basis 2 ist größer als 1, die Funktion steigt.
Gestrichelter Graph von y = 2ˣ und oranger Graph von y = 2^(x − 2) + 1, um 2 nach rechts und um 1 nach oben verschoben; Asymptote y = 1, Punkte (0 | 1) und (2 | 2)

💡 Wie erkennt man den Term am Graphen? Suche die Asymptote (das ist n) und den Punkt, an dem der Graph genau 1 über der Asymptote liegt (seine x-Koordinate ist m). Lies eine Einheit weiter rechts ab, um welchen Faktor der Graph gewachsen ist (das ist a).


Häufige Fehler

  • Verwechslung mit der Potenzfunktion. Bei y = x² steht die Variable in der Basis, bei y = 2ˣ im Exponenten. Für x = 10 ist x² = 100, aber 2¹⁰ = 1 024.
  • „Der Graph schneidet die x-Achse.“ Tut er nicht. Die Exponentialfunktion y = aˣ ist immer positiv.
  • Falsches Vorzeichen bei der Verschiebung. y = 2^(x − 2) ist um 2 nach rechts verschoben, nicht nach links. Im Punkt (2 | 2) ist der Exponent 2 − 2 = 0.
  • 2⁻¹ = −2. Nein, 2⁻¹ = ½. Ein negativer Exponent ergibt den Kehrwert, keine negative Zahl.

Kurz gesagt

  • Exponentialfunktion: y = aˣ mit a > 0 und a ≠ 1.
  • Für a > 1 steigt sie, für 0 < a < 1 fällt sie.
  • Der Graph geht immer durch (0 | 1), die Wertemenge sind die positiven Zahlen, die Asymptote ist die x-Achse.
  • y = a^(x − m) + n ist der Graph um m nach rechts und um n nach oben verschoben, Asymptote y = n.

Probier es selbst

  1. Berechne die Werte von y = 3ˣ für x = −1, 0, 2.
  2. Ist die Funktion y = (0,8)ˣ steigend oder fallend?
  3. Welche Asymptote hat der Graph von y = 5ˣ − 3?
  4. Durch welchen Punkt geht der Graph von y = 2^(x + 1) an der Stelle, an der der Exponent null ist?
Lösungen:
  1. 3⁻¹ = ⅓, 3⁰ = 1, 3² = 9.
  2. Fallend, denn die Basis 0,8 liegt zwischen 0 und 1.
  3. y = −3 (der Graph ist um 3 nach unten verschoben).
  4. Der Exponent ist null für x = −1, also der Punkt (−1 | 1).

Übe weiter

👉 Weiter: Exponentielles Wachstum und exponentielle Abnahme