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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 16g vorhanden. Nach 7 Tagen sind nur noch 10,513g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 10 Tagen da? b) Wann sind nur noch 11g 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(7)= $16 e^{k \cdot 7}$ = 10,5127.

$16 e^{7 k}$	=	$10,5127$	\|: $16$
$e^{7 k}$	=	$0,657$	\|ln(⋅)
$7 k$	=	$\ln (0,657)$	\|: $7$
$k$	=	$\frac{1}{7} \ln (0,657)$	≈ -0.06

also k ≈ -0.060010180071075, => f(t)= $16 e^{- 0,06 t}$

Wert zur Zeit 10: f(10)= $16 e^{- 0,06 \cdot 10}$ ≈ 8.8

Wann wird der Wert 11?: f(t)=11

$16 e^{- 0,06 t}$	=	$11$	\|: $16$
$e^{- 0,06 t}$	=	$\frac{11}{16}$	\|ln(⋅)
$- 0,06 t$	=	$\ln (\frac{11}{16})$	\|: $- 0,06$
$t$	=	$- \frac{1}{0,06} \ln (\frac{11}{16})$	≈ 6.2449

also t=6.2

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 764 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 18g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 830 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 14,4g 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 18 ist, gilt: f(0)= 18, also 18 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $18 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{764}$ ≈ -0.0009072607075392

=> f(t)= $18 e^{- 0,0009 t}$

Wert zur Zeit 830: f(830)= $18 e^{- 0,0009 \cdot 830}$ ≈ 8.5

Wann wird der Wert 14.4?: f(t)=14.4

$18 e^{- 0,0009 t}$	=	$14,4$	\|: $18$
$e^{- 0,0009 t}$	=	$0,8$	\|ln(⋅)
$- 0,0009 t$	=	$\ln (0,8)$	\|: $- 0,0009$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0009} \ln (0,8)$	≈ 246.0238

also t=246

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 15% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 20 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 2 Stunden? b) Wann sind es 35 Millarden?

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 nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.15) ≈ 0.13976194237516

=> f(t)= $20 e^{0,1398 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $20 e^{0,1398 \cdot 2}$ ≈ 26.5

Wann wird der Wert 35?: f(t)=35

$20 e^{0,1398 t}$	=	$35$	\|: $20$
$e^{0,1398 t}$	=	$\frac{7}{4}$	\|ln(⋅)
$0,1398 t$	=	$\ln (\frac{7}{4})$	\|: $0,1398$
$t$	=	$\frac{1}{0,1398} \ln (\frac{7}{4})$	≈ 4.003

also t=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 30 Grad an. a) Welche Temperatur zeigt das Thermometer nach 3,5 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 3.5: f(3.5)= $37 - 20 e^{- 2,0996 \cdot 3,5}$ ≈ 37

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 10% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2899 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 87 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 10 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2196 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) = 87 - 0.1⋅f(t)

wenn man 0.1 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.1( $\frac{87}{0.1}$ - f(t))

also f'(t) = 0.1(870 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=870 und der Wachstumsfaktor k=0.1 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $870 - c \cdot e^{- 0,1 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2899 ein (Punktprobe).

$2 899$	=	$870 - c \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$
$2 899$	=	$870 - c$
$2 899$	=	$- c + 870$	\| $- 2 899$ $+ c$
$c$	=	$- 2 029$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $870 + 2 029 e^{- 0,1 x}$

Wert zur Zeit 10: f(10)= $870 + 2 029 e^{- 0,1 \cdot 10}$ ≈ 1616.4

Wann wird der Wert 2196?: f(t)=2196

870 + 2 029 e^{- 0,1 t}

=

2 196

$2 029 e^{- 0,1 t} + 870$	=	$2 196$	\| $- 870$
$2 029 e^{- 0,1 t}$	=	$1 326$	\|: $2 029$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{1326}{2029}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{1326}{2029})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{1326}{2029})$	≈ 4.2538

also t=4.3

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $20 e^{- 0,04 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,04$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,04$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,04}$ ≈ 17.329 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.