Eulersche Zahl e einfach erklärt
Die Eulersche Zahl e ≈ 2,718 ist eine feste Konstante. Du lernst, wie sie beim Zinseszins entsteht, wie du sie berechnest und warum sie so wichtig ist.
Kurz gesagt
Die Eulersche Zahl e=2{,}71828\dots ist eine irrationale mathematische Konstante. Sie ist der Grenzwert e=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n und die Basis der natürlichen Exponentialfunktion e^x, die ihre eigene Ableitung ist.
Du legst 1 € an und bekommst 100 % Zinsen im Jahr. Was passiert, wenn die Bank die Zinsen nicht einmal, sondern immer öfter gutschreibt? Du landest bei der Eulerschen Zahl e=2{,}718281828\dots Sie ist die besondere Basis der Exponentialfunktion, bei der Funktionswert und Steigung übereinstimmen, und sie steckt überall dort, wo etwas kontinuierlich wächst oder zerfällt.
Deine Lernziele
e ist eine mathematische Konstante: Ihr Wert ist fest und hängt nicht von einer Aufgabe oder Maßeinheit ab. Die Dezimaldarstellung 2{,}71828\dots geht unendlich weiter, ohne dass sich eine Ziffernfolge wiederholt. Deshalb ist e irrational: Die Zahl lässt sich nicht als Quotient zweier ganzer Zahlen schreiben. e ist sogar transzendent. Das heißt: e ist keine Nullstelle eines von null verschiedenen Polynoms mit ganzzahligen Koeffizienten. Transzendenz ist also die stärkere Aussage. Trotzdem ist e exakt festgelegt, nämlich durch einen Grenzwert oder eine Reihe.
Eulersche Zahl
Die Eulersche Zahl e ist die Basis der natürlichen Exponentialfunktion f(x)=e^x und des natürlichen Logarithmus \ln(x). Ihr Wert beginnt mit 2{,}71828\dots
Merke: 2{,}71828 ist nur eine Näherung. Grenzwert, Reihe und \ln(e)=1 beschreiben e dagegen exakt.
Teste dich
Stell dir ein Startkapital von 1 € und insgesamt 100 % Zinsen für ein Jahr vor. Bei einer einzigen Gutschrift hast du am Ende (1+1)^1=2 Euro. Verteilst du den Jahreszins auf zwei Hälften mit je 50 %, sind es \left(1+\frac{1}{2}\right)^2=2{,}25 Euro. Bei n gleich großen Zeitabschnitten lautet der Endwert \left(1+\frac{1}{n}\right)^n. Je größer n wird, desto näher kommt dieser Ausdruck an e heran: e=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n Das Zeichen \lim steht für einen Grenzwert. Es wird nicht wirklich unendlich oft gerechnet. Gemeint ist die Zahl, der sich die Werte beliebig genau nähern.
| Gutschriften n | Endwert in € |
|---|---|
| 1 | (1+1)^1=2 |
| 2 | \left(1+\frac{1}{2}\right)^2=2{,}25 |
| 4 | \left(1+\frac{1}{4}\right)^4=\frac{625}{256}=2{,}44140625 |
| 365 | \left(1+\frac{1}{365}\right)^{365}\approx2{,}71457 |
Merke: Immer feinere Aufteilung lässt den Endwert gegen e\approx2{,}71828 streben, nicht gegen unendlich. Schon bei täglicher Gutschrift liegt er nur knapp darunter.
Teste dich
Eine zweite exakte Beschreibung ist eine unendliche Reihe: e=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{k!}=1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{6}+\frac{1}{24}+\dots Das Ausrufezeichen steht für die Fakultät. Für eine positive ganze Zahl multiplizierst du alle natürlichen Zahlen bis zu ihr: 4!=4\cdot3\cdot2\cdot1=24. Als Festlegung gilt 0!=1. Die Fakultäten im Nenner wachsen sehr schnell. Deshalb werden die weiteren Brüche rasch klein und verbessern die Näherung nur noch wenig.
Beispiel: Näherung mit den Summanden bis \frac{1}{6!}
- 11+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{6}+\frac{1}{24}+\frac{1}{120}+\frac{1}{720}
- 2=\frac{1957}{720}\approx2{,}71806
- 3Abstand zu e\approx2{,}71828: nur noch etwa 0,0002
Teste dich
Für die natürliche Exponentialfunktion f(x)=e^x stimmen Funktion und Ableitung überein: f'(x)=e^x=f(x). Die Steigung ist an jeder Stelle also genauso groß wie der Funktionswert. Der natürliche Logarithmus \ln(x) ist die Umkehrfunktion von e^x. Daher gilt \ln(e)=1, weil e^1=e ist. Außerdem ist die Fläche unter dem Graphen von y=\frac{1}{x} zwischen x=1 und x=e genau 1. Weil e^x seine eigene Ableitung ist, tritt e überall dort auf, wo die momentane Änderung proportional zum aktuellen Bestand ist. Ein passendes Modell lautet A(t)=A_0\cdot e^{kt} mit dem Anfangswert A_0, der Zeit t und einer konstanten relativen Änderungsrate k. Für k>0 beschreibt es Wachstum, für k<0 Zerfall, für k=0 bleibt der Bestand gleich. Beispiele sind kontinuierliche Verzinsung und radioaktiver Zerfall. Reales Wachstum bleibt aber nicht immer exponentiell: Begrenzte Ressourcen können zum Beispiel zu einer Obergrenze führen. Auch in der Wahrscheinlichkeitsrechnung taucht e auf: Verteilst du sehr viele Briefe zufällig auf ebenso viele Umschläge, liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa \frac{1}{e}\approx0{,}368 kein Brief im richtigen. In der höheren Mathematik verbindet die Euler-Formel e^{i\varphi}=\cos(\varphi)+i\sin(\varphi) die e-Funktion mit Sinus und Kosinus. Für \varphi=\pi ergibt sich e^{i\pi}+1=0.
Beispiel: Funktionswert und Steigung von e^x
- 1An der Stelle 0: f(0)=e^0=1 und f'(0)=e^0=1
- 2An der Stelle 1: f(1)=e und f'(1)=e
- 3Funktionswert und Steigung sind an jeder Stelle gleich.
Merke: Die Sonderrolle von e zeigt die Gleichung (e^x)'=e^x. Deshalb beschreibt A_0\cdot e^{kt} direkt eine Änderung, die proportional zum Bestand ist.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Eulersche Zahl
e=2{,}718281828\dots, irrational und transzendent
\left(1+\frac{1}{n}\right)^n bei immer feinerer Verzinsung
Summe der Kehrwerte der Fakultäten, \sum \frac{1}{k!}
(e^x)'=e^x und \ln(e)=1
A_0\cdot e^{kt} für Wachstum (k>0) und Zerfall (k<0)
\frac{1}{e}\approx0{,}368 beim Briefproblem
1 € mit 100 % Jahreszins, monatlich gutgeschrieben
- 112 Gutschriften, Faktor pro Monat: 1+\frac{1}{12}
- 2Endwert: \left(1+\frac{1}{12}\right)^{12}\approx2{,}6130
- 3Vergleich: 2,4414 bei 4 Gutschriften, 2,7146 bei 365
- 4Der Wert liegt noch unter e\approx2{,}7183.
Fehler finden
Fehler in Zeile 34! ist kein Quadrat, sondern 4\cdot3\cdot2\cdot1=24. Richtig ist 1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{6}+\frac{1}{24}=\frac{65}{24}\approx2{,}708.
Lückentext
Die Zahl e ist ungefähr . Die Folge \left(1+\frac{1}{n}\right)^n nähert sich für wachsendes n dem Wert . In der Fakultätsreihe gilt 0! = .