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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 16g vorhanden. Nach 5 Tagen sind nur noch 12,461g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 7 Tagen da? b) Wann sind nur noch 8g 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 16 ist, gilt: f(0)= 16, also 16 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $16 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $16 e^{k \cdot 5}$ = 12,4608.

$16 e^{5 k}$	=	$12,4608$	\|: $16$
$e^{5 k}$	=	$0,7788$	\|ln(⋅)
$5 k$	=	$\ln (0,7788)$	\|: $5$
$k$	=	$\frac{1}{5} \ln (0,7788)$	≈ -0.05

also k ≈ -0.050000201096818, => f(t)= $16 e^{- 0,05 t}$

Wert zur Zeit 7: f(7)= $16 e^{- 0,05 \cdot 7}$ ≈ 11.3

Wann wird der Wert 8?: f(t)=8

$16 e^{- 0,05 t}$	=	$8$	\|: $16$
$e^{- 0,05 t}$	=	$\frac{1}{2}$	\|ln(⋅)
$- 0,05 t$	=	$\ln (\frac{1}{2})$	\|: $- 0,05$
$t$	=	$- \frac{1}{0,05} \ln (\frac{1}{2})$	≈ 13.8629

also t=13.9

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 92 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 16 Pa beträgt?

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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 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 92: f(92)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 92}$ ≈ 0.8

Wann wird der Wert 16?: f(t)=16

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$16$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$800 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (800 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (800 000)$	≈ 118.0498

also t=118

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 12% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 15 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 4 Stunden? b) Wann sind es 20 Millarden?

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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 15 ist, gilt: f(0)= 15, also 15 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $15 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.12) ≈ 0.113328685307

=> f(t)= $15 e^{0,1133 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $15 e^{0,1133 \cdot 4}$ ≈ 23.6

Wann wird der Wert 20?: f(t)=20

$15 e^{0,1133 t}$	=	$20$	\|: $15$
$e^{0,1133 t}$	=	$\frac{4}{3}$	\|ln(⋅)
$0,1133 t$	=	$\ln (\frac{4}{3})$	\|: $0,1133$
$t$	=	$\frac{1}{0,1133} \ln (\frac{4}{3})$	≈ 2.5391

also t=2.5

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 32°C wird eine Limo aus einem 9° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 8 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 19,87°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 9 Minuten? b) Wann ist sie 13°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=32 sein muss.

Da der Anfangsbestand 9 ist, gilt: f(0)= 9, also 9 = $32 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $32 - c$ = $32 - c$

$9$	=	$32 - c$
$9$	=	$- c + 32$	\| $- 9$ $+ c$
$c$	=	$23$

somit gilt: f(t)= $32 - 23 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $32 - 23 e^{- k \cdot 8}$ = 19,87.

32 - 23 e^{- 8 k}

=

19,8723

$- 23 e^{- 8 k} + 32$	=	$19,8723$	\| $- 32$
$- 23 e^{- 8 k}$	=	$- 12,1277$	\|: $- 23$
$e^{- 8 k}$	=	$0,5273$	\|ln(⋅)
$- 8 k$	=	$\ln (0,5273)$	\|: $- 8$
$k$	=	$- \frac{1}{8} \ln (0,5273)$	≈ 0.08

also k ≈ 0.079998204055714, => f(t)= $32 - 23 e^{- 0,08 t}$

Wert zur Zeit 9: f(9)= $32 - 23 e^{- 0,08 \cdot 9}$ ≈ 20.8

Wann wird der Wert 13?: f(t)=13

32 - 23 e^{- 0,08 t}

=

13

$- 23 e^{- 0,08 t} + 32$	=	$13$	\| $- 32$
$- 23 e^{- 0,08 t}$	=	$- 19$	\|: $- 23$
$e^{- 0,08 t}$	=	$\frac{19}{23}$	\|ln(⋅)
$- 0,08 t$	=	$\ln (\frac{19}{23})$	\|: $- 0,08$
$t$	=	$- \frac{1}{0,08} \ln (\frac{19}{23})$	≈ 2.3882

also t=2.4

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,3% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 14 Jahren, wenn jedes Jahr 0,5 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 52 Millionen Einwohner?

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) = 0.5 - 0.013⋅f(t)

wenn man 0.013 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.013( $\frac{0.5}{0.013}$ - f(t))

also f'(t) = 0.013(38.46 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=38.46 und der Wachstumsfaktor k=0.013 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $38,46 - c \cdot e^{- 0,013 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=80 ein (Punktprobe).

$80$	=	$38,46 - c \cdot e^{- 0,013 \cdot 0}$
$80$	=	$38,46 - c$
$80$	=	$- c + 38,46$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 41,54$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $38,46 + 41,54 e^{- 0,013 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $38,46 + 41,54 e^{- 0,013 \cdot 14}$ ≈ 73.1

Wann wird der Wert 52?: f(t)=52

38,46 + 41,54 e^{- 0,013 t}

=

52

$41,54 e^{- 0,013 t} + 38,46$	=	$52$	\| $- 38,46$
$41,54 e^{- 0,013 t}$	=	$13,54$	\|: $41,54$
$e^{- 0,013 t}$	=	$0,326$	\|ln(⋅)
$- 0,013 t$	=	$\ln (0,326)$	\|: $- 0,013$
$t$	=	$- \frac{1}{0,013} \ln (0,326)$	≈ 86.2198

also t=86.2

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $7 e^{0,01 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,01$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,01$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,01}$ ≈ 69.315 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.