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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Der Schalldruckpegel gibt an wie laut etwas ist. Die zugehörige Maßeinheit ist dB (Dezibel). Der leiseste für den Menschen noch wahrnehmbare Schall ist 0 Dezibel. Dabei ist der Schalldruck 0,00002 Pa (Pascal). Mit steigendem Schalldruckpegel (in dB) wächst der Schalldruck (in Pa) exponentiell. Ein Fernseher auf Zimmerlautstärke erzeugt einen Schalldruckpegel von 60 dB, was einem Schalldruck von 0,02 Pa entspricht. a) Wie hoch ist der Schalldruck bei 74 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 81 Pa?

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 0.00002 ist, gilt: f(0)= 0.00002, also 0.00002 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $0,00002 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(60)= $0,00002 e^{k \cdot 60}$ = 0,02.

$0,00002 e^{60 k}$	=	$0,02$	\|: $0,00002$
$e^{60 k}$	=	$1 000$	\|ln(⋅)
$60 k$	=	$\ln (1 000)$	\|: $60$
$k$	=	$\frac{1}{60} \ln (1 000)$	≈ 0.1151

also k ≈ 0.1151292546497, => f(t)= $0,00002 e^{0,1151 t}$

Wert zur Zeit 74: f(74)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 74}$ ≈ 0.1

Wann wird der Wert 81?: f(t)=81

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$81$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$4 050 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (4 050 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (4 050 000)$	≈ 132.1827

also t=132.2

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Der Schalldruck (in Pa) verdoppelt sich alle 6,02 Db (Dezibel) Schalldruckpegel. Bei 0 Db ist der Schalldruck 0,00002 Pa. a) Welcher Schalldruck ist bei 97 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 68 Pa beträgt?

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 0.00002 ist, gilt: f(0)= 0.00002, also 0.00002 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $0,00002 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Wir berechnen k über die Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{6.02}$ ≈ 0.11514072766777

=> f(t)= $0,00002 e^{0,1151 t}$

Wert zur Zeit 97: f(97)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 97}$ ≈ 1.4

Wann wird der Wert 68?: f(t)=68

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$68$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$3 400 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (3 400 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (3 400 000)$	≈ 130.6163

also t=130.6

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 12% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 3 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 28% 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(0.88) ≈ -0.12783337150988

=> f(t)= $100 e^{- 0,1278 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $100 e^{- 0,1278 \cdot 3}$ ≈ 68.2

Wann wird der Wert 28?: f(t)=28

$100 e^{- 0,1278 t}$	=	$28$	\|: $100$
$e^{- 0,1278 t}$	=	$\frac{7}{25}$	\|ln(⋅)
$- 0,1278 t$	=	$\ln (\frac{7}{25})$	\|: $- 0,1278$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1278} \ln (\frac{7}{25})$	≈ 9.9606

also t=10

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 25°C wird eine Limo aus einem 3° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 9 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 12,18°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 11 Minuten? b) Wann ist sie 22°C warm?

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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=25 sein muss.

Da der Anfangsbestand 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $25 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $25 - c$ = $25 - c$

$3$	=	$25 - c$
$3$	=	$- c + 25$	\| $- 3$ $+ c$
$c$	=	$22$

somit gilt: f(t)= $25 - 22 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(9)= $25 - 22 e^{- k \cdot 9}$ = 12,18.

25 - 22 e^{- 9 k}

=

12,1795

$- 22 e^{- 9 k} + 25$	=	$12,1795$	\| $- 25$
$- 22 e^{- 9 k}$	=	$- 12,8205$	\|: $- 22$
$e^{- 9 k}$	=	$0,5828$	\|ln(⋅)
$- 9 k$	=	$\ln (0,5828)$	\|: $- 9$
$k$	=	$- \frac{1}{9} \ln (0,5828)$	≈ 0.06

also k ≈ 0.059990133851232, => f(t)= $25 - 22 e^{- 0,06 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $25 - 22 e^{- 0,06 \cdot 11}$ ≈ 13.6

Wann wird der Wert 22?: f(t)=22

25 - 22 e^{- 0,06 t}

=

22

$- 22 e^{- 0,06 t} + 25$	=	$22$	\| $- 25$
$- 22 e^{- 0,06 t}$	=	$- 3$	\|: $- 22$
$e^{- 0,06 t}$	=	$\frac{3}{22}$	\|ln(⋅)
$- 0,06 t$	=	$\ln (\frac{3}{22})$	\|: $- 0,06$
$t$	=	$- \frac{1}{0,06} \ln (\frac{3}{22})$	≈ 33.2072

also t=33.2

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 4ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 1% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 12 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 124ml davon in seinem Blut?

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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) = 4 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{4}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(400 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=400 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

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

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

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

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

Wert zur Zeit 12: f(12)= $400 - 400 e^{- 0,01 \cdot 12}$ ≈ 45.2

Wann wird der Wert 124?: f(t)=124

400 - 400 e^{- 0,01 t}

=

124

$- 400 e^{- 0,01 t} + 400$	=	$124$	\| $- 400$
$- 400 e^{- 0,01 t}$	=	$- 276$	\|: $- 400$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{69}{100}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{69}{100})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{69}{100})$	≈ 37.1064

also t=37.1

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $6 e^{0,02 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,02$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

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

T_V = $\frac{ln(2)}{0,02}$ ≈ 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.