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Selbstlern-Modul 4: Exponentielle Prozesse & Ableitungen
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Arbeitsauftrag: Dies ist dein Arbeitsauftrag für diese Unterrichtswoche (4×45 Minuten + Eigenarbeitsanteil). Starte eine Stoppuhr jetzt (z.B. am Handy) und übernimm jede Erläuterung in eigenen Worten in deine Unterlagen. Bearbeite jeweils erst einmal eine Übung und die KI-Aufgabe pro Abschnitt (markiert durch blaue Schrift) und prüfe danach die Zeit. Pausiere die Stoppuhr bei Unterbrechungen. Bei insgesamt ~200 Minuten kannst du deine Arbeit beenden; ansonsten arbeite weiter. Schließe nach Beendigung der Aufgaben das Feedbackmodul ab und sende mir deine Antworten aus dem Feedbackmodul im Schulportal. Dies ist der Nachweis für deine Mitarbeit. Bei Fragen kannst du dich jederzeit im Schulportal oder per Mail bei mir melden. Wenn du konkrete Nachfragen zu einer Aufgabe/Rechnung hast, dann sende mir gerne ein Screenshot/Foto von der Aufgabe per Mail.

Inhalte

  1. Ableiten einer Exponentialfunktion
  2. Produkt- & Kettenregel mit Exponentialfunktionen
  3. Lösen von Exponentialgleichungen

Disclaimer: Achtung! In den Aufgaben wirst du dazu aufgefordert, KI-Sprachmodelle zu nutzen. Wenn du das nicht möchtest oder darfst, kannst du diese Aufgaben überspringen. Bitte kläre dies vorher mit deinen Erziehungsberechtigten und lies die Datenschutzerklärungen sowie AGB.

Ableiten einer Exponentialfunktion

Worum geht’s?
Die Ableitung \(f'(x)\) ist die momentane Steigung (Zuwachs pro „sehr kleinem Schritt“ in \(x\)). Wir benutzen in diesem Abschnitt nur die Schreibweise mit dem Strich \(f'(x)\) und verzichten bewusst auf andere Kurzschreibweisen.

Grundregeln (nur für lineare Exponenten und Summen/Faktoren):
  1. e-Regel: \((e^{x})' = e^{x}\).
  2. Konstante: \(c' = 0\).
  3. Faktorregel: \((c\cdot f(x))' = c\cdot f'(x)\).
  4. Summenregel: \((f(x)+g(x))' = f'(x)+g'(x)\).
  5. Faustregel für lineare Exponenten: \((e^{kx+b})' = k\,e^{kx+b}\).
    (Plausibel: Die Verschiebung \(+b\) ändert die Steigung nicht; die Streckung/Stauchung durch \(k\) skaliert die Steigung um \(k\). Die ausführliche Begründung kommt später.)
  6. Allgemeine Basis: Für \(a>0,\;a\neq 1\) gilt \((a^{x})' = \ln(a)\,a^{x}\).

Beispiele mit Begründung (keine Produkte, keine verschachtelten Exponenten):

1) \(f(x)=e^{x}\)
\(f'(x)=e^{x}\)   (e-Regel)

2) \(g(x)=5e^{x}-7\)
\(g'(x)=5\,e^{x}-0=5e^{x}\)   (Faktorregel, Konstantenregel, Summenregel)

3) \(h(x)=e^{2x}\)
\(h'(x)=2e^{2x}\)   (Faustregel: Exponent \(2x\) ist linear)

4) \(p(x)=e^{-x}\)
\(p'(x)=-\,e^{-x}\)   (Faustregel: Exponent \(-x\) ist linear)

5) \(q(x)=2e^{x-4}\)
\(q'(x)=2\cdot e^{x-4}=2e^{x-4}\)   (Faktorregel + Faustregel: \(x-4\) ist linear)

6) \(r(x)=3e^{0{.}5x}+e^{x}\)
\(r'(x)=3\cdot 0{.}5\,e^{0{.}5x}+e^{x}=1{.}5\,e^{0{.}5x}+e^{x}\)   (Faktor-, Summenregel + Faustregel)

7) \(s(x)=e^{x}+e^{3x}-4\)
\(s'(x)=e^{x}+3e^{3x}-0=e^{x}+3e^{3x}\)   (Summen-, Konstanten- & e-/Faustregel)

8) \(t(x)=2^{x}\)
\(t'(x)=\ln(2)\cdot 2^{x}\)   (Allgemeine Basis-Regel)

Zusätzliche Hinweise & Erläuterungen:
  • Was ist „erlaubt“? Ausdrücke der Form \(c_1 e^{k_1x+b_1}+c_2 e^{k_2x+b_2}+\dots + c\). Nicht in diesem Abschnitt: Produkte wie \((x^2)\,e^{x}\) oder verschachtelte Exponenten wie \(e^{x^2}\).
  • Schnellcheck: Ist der Exponent \(\,kx+b\) (also linear)? Dann direkt \(k\cdot e^{kx+b}\) ableiten und eventuelle Vorfaktoren übernehmen.
  • Einheiten denken: Wenn \(x\) Zeit (z. B. in h) ist, hat \(f'(x)\) die Einheit „pro h“: momentane Änderungsrate, also Steigung im Punkt \(x\).
  • Häufige Fehler: Den Faktor \(k\) bei \(e^{kx+b}\) vergessen; Konstanten nicht zu \(0\) ableiten; \(\ln(a)\) mit \(a\) verwechseln (nur relevant bei \(a^{x}\)).
  • Spickzettel: \((e^{x})'=e^{x}\), \((e^{kx+b})'=k\,e^{kx+b}\), \((a^{x})'=\ln(a)\,a^{x}\), \((c)'=0\), \((c\cdot f)'=c\cdot f'\), \((f+g)'=f'+g'\).
Übungsaufgaben (Basis, ohne Produkte/Verschachtelungen)
  1. Leite ab: \(e^{x}\)
  2. Leite ab: \(5e^{x}-7\)
  3. Leite ab: \(e^{2x}\)
  4. Leite ab: \(e^{-x}\)
  5. Leite ab: \(2e^{x-4}\)
  6. Leite ab: \(3e^{0{.}5x}+e^{x}\)
  7. Leite ab: \(e^{x}+e^{3x}-4\)
  8. Leite ab: \(2^{x}\)
  9. Leite ab: \(2e^{-3x}+5e^{x+2}\)
  10. Leite ab: \(7-4e^{2x}\)

Tipp: Vergleiche deine Ergebnisse mit dem interaktiven Ableitungsrechner weiter unten.

KI-Aufgabe: „Öffne ein KI-Sprachmodell deiner Wahl (ChatGPT, Gemini, Claude, …) und tippe: Auf der Seite www.harzenetter.eu/m-q12-wdh-zum-schuljahresanfang4.html stehen meine Selbstlernaufgaben. Durchsuche die Website und formuliere zum Thema 'Ableiten einer Exponentialfunktion' anhand der Aufgaben und Informationen auf dieser Website 8 kurze Wahr/Falsch-Aussagen zu \((e^{x})'\), Faktor-, Summen- und Konstantenregel. Stelle sie nacheinander, prüfe meine Antworten und gib sofort kurzes Feedback. Wenn du nicht auf die Seite zugreifen kannst, sag Bescheid – ich schicke einen Screenshot.“

Ableiten mit Produkt- & Kettenregel von Exponentialfunktionen

Einleitung:

Oft sind Exponentialfunktionen verknüpft mit weiteren Termen. Dann sind diese nur unter Anwendung besonderer Regeln abzuleiten. In den Übungsaufgaben des vorherigen Abschnitts (hier) siehst du keine Verkettungen.
Ein Beispiel für eine verkettete e-Funktion wäre:
\[ f(x)=(2x+1)\,e^x \quad\text{oder}\quad g(x)=e^{3x^2} \]

Hieran soll nun im Folgenden die Ableitungsregeln Produktregel und Kettenregel erklärt werden.

Produktregel: \((u\cdot v)' = u'\,v + u\,v'\)
Beispiel: \(f(x)=(2x+1)\,e^x\). Setze \(u=2x+1\Rightarrow u'=2\) und \(v=e^x\Rightarrow v'=e^x\). Dann \[ f'(x)=2\cdot e^x + (2x+1)\cdot e^x = e^x(2x+3). \]

Kettenregel: Für \(h(x)=f(g(x))\) gilt \(h'(x)=f'(g(x))\cdot g'(x)\).
Umgangssprachlich: „äußere Ableitung an der inneren mal innere Ableitung“.
Beispiel: \(g(x)=e^{3x^2}\). Außen \(f(u)=e^u\Rightarrow f'(u)=e^u\), innen \(u=3x^2\Rightarrow u'=6x\). \[ g'(x)=e^{3x^2}\cdot 6x=6x\,e^{3x^2}. \]

\(\,h(x)=(x^2+2)(e^{x}+1)\)
\(u=x^2+2,\;u'=2x,\;v=e^x+1,\;v'=e^x\)
\[ h'(x)=2x\,(e^x+1) + (x^2+2)\,e^x. \]

\(\,k(x)=\sin(e^{2x})\)
Außen: \(f(u)=\sin(u),\;f'(u)=\cos(u)\); Innen: \(u=e^{2x},\;u'=2e^{2x}\)
\[ k'(x)= \cos(e^{2x})\cdot 2e^{2x}. \]

Hilfen:
gut-erklaert.de
Videos:
Übungsaufgaben:
  1. Leite ab: \((x^2+2)e^x\).
  2. Leite ab: \(e^{x}(x-3)\).
  3. Leite ab: \((3x+1)e^{x}\).
  4. Leite ab: \((x-4)e^{x}\).
  5. Leite ab: \((2x-1)e^{-x}\).
  6. Leite ab: \((4x^2+5)e^{x-1}\).
  7. Leite ab: \((5x+7)e^{-2x}\).
  8. Leite ab: \((x^3+3)e^{0.5x}\).
  9. Leite ab: \((6x-2)e^{x+4}\).
  10. Leite ab: \((x+2)e^{3x-1}\).

Du kannst den interaktiven Ableitungsrechner nutzen, um dich zu überprüfen. Zeichne die Funktionen im Funktionsplotter: mathe-fa.de.

5. Interaktiver Ableitungsrechner

Nutze dieses Tool, um Ableitungen beliebiger Funktionen direkt im Browser zu berechnen.


Aufgabe: Experimentiere mit dem Rechner und notiere dir zwei Funktionen, bei denen du Ableitungen überprüfst. Vergleiche das Ergebnis mit deiner manuellen Rechnung.
Aufgabe: Öffne ein KI-Sprachmodell deiner Wahl (ChatGPT, Gemini, Claude, …) und tippe:
"Auf der Seite www.harzenetter.eu/m-q12-wdh-zum-schuljahresanfang4.html stehen meine Selbstlernaufgaben. Durchsuche die Website und formuliere zum Thema 'Ableiten mit Produkt- & Kettenregel von Exponentialfunktionen' anhand der Aufgaben und Informationen auf dieser Website 10 \"Wahr- oder Falsch-Aussagen\". Stelle mir die Aussagen nacheinander. Wenn ich etwas falsch beantworte, korrigiere mich, erkläre es mir und stell mir die nächste Aussage. Solltest du nicht auf die Website zugreifen können, dann sag Bescheid und ich sende dir ein Foto/Screenshot der Aufgabe."

Exponentialgleichungen lösen

Einleitung:
Gleichungen der Form \[ a\cdot b^x = c \] löst du, indem du:

  1. durch \(a\) teilst: \[ b^x = \frac{c}{a} \]
  2. Logarithmus zur Basis \(b\) anwenden: \[ x = \log_{b}\!\biggl(\frac{c}{a}\biggr) \quad\bigl(\text{alternativ }x = \tfrac{\lg(c/a)}{\lg(b)}\bigr). \]

Hinweis: Der natürliche Logarithmus ist der Logarithmus zur Basis \(e\). Man schreibt \[ \ln\!\biggl(\frac{c}{a}\biggr) = \log_{e}\!\biggl(\frac{c}{a}\biggr). \]
Bei Ausdrücken wie \(e^{2x}+3=10\) formst du zuerst auf reine \(e^{\dots}\)-Form um und wendest dann \(\ln\) nur auf positive Argumente an.
Verkettete E-Funktionen musst du mit Hilfe des Satzes vom Nullprodukt lösen. Ausdrücke der Form \(e^{x}\) sind stets ungleich Null. Können diese also ausgeklammert werden oder werden sie mit einem anderen Term multipliziert, muss der Teil in der Klammer bzw. der andere Faktor Null ergeben.

Beispiele 2a–2f (123mathe):

\[ \begin{aligned} \textbf{2a)}\quad &2\cdot e^{3x} - 6\cdot e^x = 0 \quad\Big|\; +6\,e^x \\[0.8em] &2\,e^{3x} = 6\,e^x \quad\Big|\; :2 \\[0.8em] &e^{3x} = 3\,e^x \quad\Big|\; \ln \\[0.8em] &3x = \ln(3) + x \quad\Big|\; -x \\[0.8em] &2x = \ln(3) \quad\Big|\; :2 \\[0.8em] &\boxed{x = \tfrac12\,\ln(3)} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} \textbf{2b)}\quad &\frac{e^x}{2} - e^{x+1} = 0 \quad\Big|\; +e^{x+1} \\[0.8em] &\tfrac{e^x}{2} = e^{x+1} \quad\Big|\; \cdot2 \\[0.8em] &e^x = 2\,e^{x+1} \quad\Big|\; \ln \\[0.8em] &x = \ln(2) + x + 1 \quad\Big|\; -x \\[0.8em] &0 = \ln(2) + 1 \;\Rightarrow\; \text{Widerspruch (keine Lösung)} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} \textbf{2c)}\quad &(x-2)\,e^{2x} - e^{2x} = 0 \\[0.8em] &e^{2x}\bigl[(x-2)-1\bigr] = 0 \\[0.8em] &x - 3 = 0 \\[0.8em] &\boxed{x = 3} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} \textbf{2d)}\quad &-2x^2 \;\cdot\; e^{-x+2} = 0 \\[0.8em] &-2x^2 = 0 \quad(\text{da }e^{-x+2}\neq0)\\[0.8em] &\boxed{x = 0} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} \textbf{2e)}\quad &x\,e^x - 3x = 0 \\[0.8em] &x\,(e^x - 3) = 0 \;\Rightarrow\; x_1 = 0 \\[0.8em] &e^x - 3 = 0 \quad\Big|\; +3 \\[0.8em] &e^x = 3 \quad\Big|\; \ln \\[0.8em] &\boxed{x_2 = \ln(3)} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} \textbf{2f)}\quad &(3 + 2x)\,e^{x-1} = 0 \\[0.8em] &3 + 2x = 0 \quad(\text{da }e^{x-1}\neq0)\\[0.8em] &2x = -3 \quad\Big|\; :2 \\[0.8em] &\boxed{x = -\tfrac32} \end{aligned} \]

Hilfen:
123Mathe
Abiweb
Videos:
Übung:
a) \(5\cdot3^x = 135\)
b) \(e^{2x-1} = 7\).
c) \(e^{x}\cdot(3x+4)=0\)
Aufgabe: Öffne ein KI-Sprachmodell deiner Wahl … und tippe:
"Auf der Seite www.harzenetter.eu/m-q12-wdh-zum-schuljahresanfang4.html stehen meine Selbstlernaufgaben. Durchsuche die Website und formuliere zum Thema 'Exponentialgleichungen lösen' anhand der Aufgaben und Informationen auf dieser Website fünf Quizfragen im Stil von \"Wer wird Millionär?\". Stelle mir die Fragen nacheinander und agiere wie ein Showmaster. Wenn ich etwas falsch mache, korrigiere mich und erkläre es mir. Solltest du nicht auf die Website zugreifen können, dann sag Bescheid und ich sende dir ein Foto/Screenshot der Aufgabe."
Infobox

Lösungs-Modul (interaktiv)

Blende Musterlösungen ein – erst nach eigener Bearbeitung. Du kannst einzelne Lösungen öffnen/schließen oder alle gleichzeitig anzeigen.

Kapitel 1 · Ableiten (Basis)

e-Regel, lineare Exponenten, Summen/Faktoren, \(a^x\).

Kapitel 2 · Produkt- & Kettenregel

Schritt-für-Schritt mit Markierung „innen/außen“.

Kapitel 3 · Exponentialgleichungen

Logarithmieren, Nullprodukt, kurze Checks.

Feedbackmodul

Beantworte folgende Fragen und sende deine Antworten im Schulportal mit dem Betreff:
„Q1 GK HNR Feedback E-Learning-Modul 4“.

  1. Freitext: Welche Aufgaben hast du alles bearbeiten können? ____________________
  2. Freitext: Nenne zwei eigene Merksätze zu exponentiellen Prozessen.
  3. Multiple-Choice: Welche Methoden hast du bei Exponentialgleichungen angewendet?
    ☐ Umformungen & Periodizität
    ☐ Logarithmische Umformung
    ☐ Grafische Betrachtung
    ☐ Rechner/Software
  4. Single-Choice: Wie schwierig fandest du das Verständnis der Grundlagen?
    ○ sehr einfach ○ einfach ○ mittel ○ schwierig ○ sehr schwierig
  5. Skalafrage (1–5): Wie zufrieden bist du mit diesem Modul?
    1 (sehr unzufrieden)… 5 (sehr zufrieden)
  6. Ja/Nein: Hast du alle Übungen und KI-Aufgaben vollständig bearbeitet?
    ○ Ja ○ Nein
  7. Likert + Zusatz:
    „Ich habe alle Aufgaben ohne zusätzliche Hilfsmittel gelöst.“
    1 … 5; falls Hilfsmittel genutzt: __________
  8. Zeitangabe: Geschätzte Arbeitszeit: __________ Minuten
  9. Selbsteinschätzung (1–5): Wie sicher fühlst du dich jetzt?
    1 (sehr unsicher)… 5 (sehr sicher)
  10. Freitext: Was hat dir am meisten geholfen?
  11. Offene Frage: Verbesserungsvorschläge?