Mathebattle EduRandomtasks

Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 17g vorhanden. Nach 3 Tagen sind nur noch 15,537g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 4 Tagen da? b) Wann sind nur noch 12g 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 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $17 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $17 e^{k \cdot 3}$ = 15,5368.

$17 e^{3 k}$	=	$15,5368$	\|: $17$
$e^{3 k}$	=	$0,9139$	\|ln(⋅)
$3 k$	=	$\ln (0,9139)$	\|: $3$
$k$	=	$\frac{1}{3} \ln (0,9139)$	≈ -0.03

also k ≈ -0.03001137423466, => f(t)= $17 e^{- 0,03 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $17 e^{- 0,03 \cdot 4}$ ≈ 15.1

Wann wird der Wert 12?: f(t)=12

$17 e^{- 0,03 t}$	=	$12$	\|: $17$
$e^{- 0,03 t}$	=	$\frac{12}{17}$	\|ln(⋅)
$- 0,03 t$	=	$\ln (\frac{12}{17})$	\|: $- 0,03$
$t$	=	$- \frac{1}{0,03} \ln (\frac{12}{17})$	≈ 11.6102

also t=11.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 782 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 14g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 1209 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 4,2g 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 14 ist, gilt: f(0)= 14, also 14 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $14 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{782}$ ≈ -0.00088637746874673

=> f(t)= $14 e^{- 0,0009 t}$

Wert zur Zeit 1209: f(1209)= $14 e^{- 0,0009 \cdot 1209}$ ≈ 4.8

Wann wird der Wert 4.2?: f(t)=4.2

$14 e^{- 0,0009 t}$	=	$4,2$	\|: $14$
$e^{- 0,0009 t}$	=	$0,3$	\|ln(⋅)
$- 0,0009 t$	=	$\ln (0,3)$	\|: $- 0,0009$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0009} \ln (0,3)$	≈ 1358.8858

also t=1358.9

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 13 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 3 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 8 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 13 ist, gilt: f(0)= 13, also 13 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $13 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

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

=> f(t)= $13 e^{- 0,1278 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $13 e^{- 0,1278 \cdot 3}$ ≈ 8.9

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

$13 e^{- 0,1278 t}$	=	$8$	\|: $13$
$e^{- 0,1278 t}$	=	$\frac{8}{13}$	\|ln(⋅)
$- 0,1278 t$	=	$\ln (\frac{8}{13})$	\|: $- 0,1278$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1278} \ln (\frac{8}{13})$	≈ 3.799

also t=3.8

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?

Lösung einblenden

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:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,5% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 14 Jahren, wenn jedes Jahr 0,6 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 54 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) = 0.6 - 0.015⋅f(t)

wenn man 0.015 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.015( $\frac{0.6}{0.015}$ - f(t))

also f'(t) = 0.015(40 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=40 und der Wachstumsfaktor k=0.015 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $40 - c \cdot e^{- 0,015 t}$ haben.

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

$80$	=	$40 - c \cdot e^{- 0,015 \cdot 0}$
$80$	=	$40 - c$
$80$	=	$- c + 40$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 40$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $40 + 40 e^{- 0,015 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $40 + 40 e^{- 0,015 \cdot 14}$ ≈ 72.4

Wann wird der Wert 54?: f(t)=54

40 + 40 e^{- 0,015 t}

=

54

$40 e^{- 0,015 t} + 40$	=	$54$	\| $- 40$
$40 e^{- 0,015 t}$	=	$14$	\|: $40$
$e^{- 0,015 t}$	=	$\frac{7}{20}$	\|ln(⋅)
$- 0,015 t$	=	$\ln (\frac{7}{20})$	\|: $- 0,015$
$t$	=	$- \frac{1}{0,015} \ln (\frac{7}{20})$	≈ 69.9881

also t=70

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $11 e^{0,09 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,09$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,09$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,09}$ ≈ 7.702 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.