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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Das Wachstum einer Algenkultur in einem Teich kann als exponentiell angenommen werden. Zu Beginn der Beobachtung sind 20 Millionen Algen im Teich. Nach 7 Stunden sind es 32,646 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 8 Stunden? b) Wann waren es 34 Milionen Algen?

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 20 ist, gilt: f(0)= 20, also 20 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

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

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(7)= $20 e^{k \cdot 7}$ = 32,6463.

$20 e^{7 k}$	=	$32,6463$	\|: $20$
$e^{7 k}$	=	$1,6323$	\|ln(⋅)
$7 k$	=	$\ln (1,6323)$	\|: $7$
$k$	=	$\frac{1}{7} \ln (1,6323)$	≈ 0.07

also k ≈ 0.069998580453979, => f(t)= $20 e^{0,07 t}$

Wert zur Zeit 8: f(8)= $20 e^{0,07 \cdot 8}$ ≈ 35

Wann wird der Wert 34?: f(t)=34

$20 e^{0,07 t}$	=	$34$	\|: $20$
$e^{0,07 t}$	=	$\frac{17}{10}$	\|ln(⋅)
$0,07 t$	=	$\ln (\frac{17}{10})$	\|: $0,07$
$t$	=	$\frac{1}{0,07} \ln (\frac{17}{10})$	≈ 7.5804

also t=7.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 874 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 9g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 1907 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 8,1g 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 9 ist, gilt: f(0)= 9, also 9 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $9 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{874}$ ≈ -0.00079307457729971

=> f(t)= $9 e^{- 0,0008 t}$

Wert zur Zeit 1907: f(1907)= $9 e^{- 0,0008 \cdot 1907}$ ≈ 2

Wann wird der Wert 8.1?: f(t)=8.1

$9 e^{- 0,0008 t}$	=	$8,1$	\|: $9$
$e^{- 0,0008 t}$	=	$0,9$	\|ln(⋅)
$- 0,0008 t$	=	$\ln (0,9)$	\|: $- 0,0008$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0008} \ln (0,9)$	≈ 132.8632

also t=132.9

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 13% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 48% der Masse da?

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

Da der Anfangsbestand 100 ist, gilt: f(0)= 100, also 100 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $100 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.87) ≈ -0.13926206733351

=> f(t)= $100 e^{- 0,1393 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $100 e^{- 0,1393 \cdot 2}$ ≈ 75.7

Wann wird der Wert 48?: f(t)=48

$100 e^{- 0,1393 t}$	=	$48$	\|: $100$
$e^{- 0,1393 t}$	=	$\frac{12}{25}$	\|ln(⋅)
$- 0,1393 t$	=	$\ln (\frac{12}{25})$	\|: $- 0,1393$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1393} \ln (\frac{12}{25})$	≈ 5.269

also t=5.3

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 30 Grad an. a) Welche Temperatur zeigt das Thermometer nach 1,5 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)= $37 - 20 e^{- k \cdot 0,5}$ = 30.

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

=

29,9998

$- 20 e^{- 0,5 k} + 37$	=	$29,9998$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 0,5 k}$	=	$- 7,0002$	\|: $- 20$
$e^{- 0,5 k}$	=	$0,35$	\|ln(⋅)
$- 0,5 k$	=	$\ln (0,35)$	\|: $- 0,5$
$k$	=	$- \frac{1}{0,5} \ln (0,35)$	≈ 2.0996

also k ≈ 2.0996442489974, => f(t)= $37 - 20 e^{- 2,0996 t}$

Wert zur Zeit 1.5: f(1.5)= $37 - 20 e^{- 2,0996 \cdot 1,5}$ ≈ 36.1

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

37 - 20 e^{- 2,0996 t}

=

36,9

$- 20 e^{- 2,0996 t} + 37$	=	$36,9$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 2,0996 t}$	=	$- 0,1$	\|: $- 20$
$e^{- 2,0996 t}$	=	$0,005$	\|ln(⋅)
$- 2,0996 t$	=	$\ln (0,005)$	\|: $- 2,0996$
$t$	=	$- \frac{1}{2,0996} \ln (0,005)$	≈ 2.5235

also t=2.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 1% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 3384 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 64 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 14 Monaten? b) Wann beträgt dieser 4093 Wörter ?

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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) = 64 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{64}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(6400 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=6400 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $6 400 - c \cdot e^{- 0,01 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=3384 ein (Punktprobe).

$3 384$	=	$6 400 - c \cdot e^{- 0,01 \cdot 0}$
$3 384$	=	$6 400 - c$
$3 384$	=	$- c + 6 400$	\| $- 3 384$ $+ c$
$c$	=	$3 016$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $6 400 - 3 016 e^{- 0,01 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $6 400 - 3 016 e^{- 0,01 \cdot 14}$ ≈ 3778

Wann wird der Wert 4093?: f(t)=4093

6 400 - 3 016 e^{- 0,01 t}

=

4 093

$- 3 016 e^{- 0,01 t} + 6 400$	=	$4 093$	\| $- 6 400$
$- 3 016 e^{- 0,01 t}$	=	$- 2 307$	\|: $- 3 016$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{2307}{3016}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{2307}{3016})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{2307}{3016})$	≈ 26.7983

also t=26.8

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $10 e^{- 0,02 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,02$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,02$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,02}$ ≈ 34.657 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.