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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 6g vorhanden. Nach 2 Tagen sind nur noch 5,012g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 4 Tagen da? b) Wann sind nur noch 1g davon übrig?

Lösung einblenden

Da wir von exponentiellem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= $a \cdot e^{k \cdot t}$ .

Da der Anfangsbestand 6 ist, gilt: f(0)= 6, also 6 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $6 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $6 e^{k \cdot 2}$ = 5,0116.

$6 e^{2 k}$	=	$5,0116$	\|: $6$
$e^{2 k}$	=	$0,8353$	\|ln(⋅)
$2 k$	=	$\ln (0,8353)$	\|: $2$
$k$	=	$\frac{1}{2} \ln (0,8353)$	≈ -0.09

also k ≈ -0.089982168610138, => f(t)= $6 e^{- 0,09 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $6 e^{- 0,09 \cdot 4}$ ≈ 4.2

Wann wird der Wert 1?: f(t)=1

$6 e^{- 0,09 t}$	=	$1$	\|: $6$
$e^{- 0,09 t}$	=	$\frac{1}{6}$	\|ln(⋅)
$- 0,09 t$	=	$\ln (\frac{1}{6})$	\|: $- 0,09$
$t$	=	$- \frac{1}{0,09} \ln (\frac{1}{6})$	≈ 19.9084

also t=19.9

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 713 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 3g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 2081 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 1,2g Gaußium da?

Lösung einblenden

Da wir von exponentiellem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= $a \cdot e^{k \cdot t}$ .

Da der Anfangsbestand 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $3 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel T_H= $\frac{-ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{713}$ ≈ -0.00097215593346416

=> f(t)= $3 e^{- 0,001 t}$

Wert zur Zeit 2081: f(2081)= $3 e^{- 0,001 \cdot 2081}$ ≈ 0.4

Wann wird der Wert 1.2?: f(t)=1.2

$3 e^{- 0,001 t}$	=	$1,2$	\|: $3$
$e^{- 0,001 t}$	=	$0,4$	\|ln(⋅)
$- 0,001 t$	=	$\ln (0,4)$	\|: $- 0,001$
$t$	=	$- \frac{1}{0,001} \ln (0,4)$	≈ 942.6859

also t=942.7

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 12% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 10 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 4 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 5 Lux?

Lösung einblenden

Da wir von exponentiellem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= $a \cdot e^{k \cdot t}$ .

Da der Anfangsbestand 10 ist, gilt: f(0)= 10, also 10 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $10 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.88) ≈ -0.12783337150988

=> f(t)= $10 e^{- 0,1278 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $10 e^{- 0,1278 \cdot 4}$ ≈ 6

Wann wird der Wert 5?: f(t)=5

$10 e^{- 0,1278 t}$	=	$5$	\|: $10$
$e^{- 0,1278 t}$	=	$\frac{1}{2}$	\|ln(⋅)
$- 0,1278 t$	=	$\ln (\frac{1}{2})$	\|: $- 0,1278$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1278} \ln (\frac{1}{2})$	≈ 5.4237

also t=5.4

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Die Körpertemperatur eines Menschen wird mit dem Fieberthermometer gemessen. Dabei ist die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Thermometers steigt, proportional zur Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und der des Thermometers. Bei der Untersuchung eines gesunden Menschen, dessen Körpertemperatur 37,0 Grad beträgt, steigt die Anzeige des Thermometers in der ersten halben Minute von 17,0 Grad auf 31 Grad an. a) Welche Temperatur zeigt das Thermometer nach 2,5 Minuten an? b) Wann zeigt es 36,9° an?

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Da wir von beschränktem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= $S - c \cdot e^{- k \cdot t}$ .

Aus dem Text entnehmen wir, dass die Schranke S=37 sein muss.

Da der Anfangsbestand 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $37 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $37 - c$ = $37 - c$

$17$	=	$37 - c$
$17$	=	$- c + 37$	\| $- 17$ $+ c$
$c$	=	$20$

somit gilt: f(t)= $37 - 20 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(0.5)= $37 - 20 e^{- k \cdot 0,5}$ = 31.

37 - 20 e^{- 0,5 k}

=

30,9999

$- 20 e^{- 0,5 k} + 37$	=	$30,9999$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 0,5 k}$	=	$- 6,0001$	\|: $- 20$
$e^{- 0,5 k}$	=	$0,3$	\|ln(⋅)
$- 0,5 k$	=	$\ln (0,3)$	\|: $- 0,5$
$k$	=	$- \frac{1}{0,5} \ln (0,3)$	≈ 2.4079

also k ≈ 2.4079456086519, => f(t)= $37 - 20 e^{- 2,4079 t}$

Wert zur Zeit 2.5: f(2.5)= $37 - 20 e^{- 2,4079 \cdot 2,5}$ ≈ 37

Wann wird der Wert 36.9?: f(t)=36.9

37 - 20 e^{- 2,4079 t}

=

36,9

$- 20 e^{- 2,4079 t} + 37$	=	$36,9$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 2,4079 t}$	=	$- 0,1$	\|: $- 20$
$e^{- 2,4079 t}$	=	$0,005$	\|ln(⋅)
$- 2,4079 t$	=	$\ln (0,005)$	\|: $- 2,4079$
$t$	=	$- \frac{1}{2,4079} \ln (0,005)$	≈ 2.2004

also t=2.2

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 10% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 3507 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 86 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 5 Monaten? b) Wann beträgt dieser 1572 Wörter ?

Lösung einblenden

Wir können aus der Aufgabe lesen, dass immer ein konstanter Zuwachs und eine prozentuale Abnahme pro Zeitheit stattfindet. Wir können also für die (momentane) Änderungsrate f'(t) folgendes festhalten:

f'(t) = 86 - 0.1⋅f(t)

wenn man 0.1 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.1( $\frac{86}{0.1}$ - f(t))

also f'(t) = 0.1(860 - f(t))

das ist nun ein Differtialgleichung des beschränkten Wachstums: f'(t) = k(S - f(t))

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=860 und der Wachstumsfaktor k=0.1 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $860 - c \cdot e^{- 0,1 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=3507 ein (Punktprobe).

$3 507$	=	$860 - c \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$
$3 507$	=	$860 - c$
$3 507$	=	$- c + 860$	\| $- 3 507$ $+ c$
$c$	=	$- 2 647$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $860 + 2 647 e^{- 0,1 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $860 + 2 647 e^{- 0,1 \cdot 5}$ ≈ 2465.5

Wann wird der Wert 1572?: f(t)=1572

860 + 2 647 e^{- 0,1 t}

=

1 572

$2 647 e^{- 0,1 t} + 860$	=	$1 572$	\| $- 860$
$2 647 e^{- 0,1 t}$	=	$712$	\|: $2 647$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{712}{2647}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{712}{2647})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{712}{2647})$	≈ 13.131

also t=13.1

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $10 e^{0,05 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,05$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,05$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,05}$ ≈ 13.863 min

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Exponentielles Wachstum mit Prozent

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.