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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 5 Millionen Algen im Teich. Nach 7 Stunden sind es 9,388 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 9 Stunden? b) Wann waren es 8 Milionen Algen?

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Da wir von exponentiellem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= a · e k · t .

Da der Anfangsbestand 5 ist, gilt: f(0)= 5, also 5 = a · e k · 0 = a = a

somit gilt: f(t)= 5 e k · t , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(7)= 5 e k · 7 = 9,3881.

5 e 7k = 9,3881 |:5
e 7k = 1,8776 |ln(⋅)
7k = ln( 1,8776 ) |:7
k = 1 7 ln( 1,8776 ) ≈ 0.09

also k ≈ 0.08999919507924, => f(t)= 5 e 0,09t


Wert zur Zeit 9: f(9)= 5 e 0,099 ≈ 11.2


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

5 e 0,09t = 8 |:5
e 0,09t = 8 5 |ln(⋅)
0,09t = ln( 8 5 ) |:0,09
t = 1 0,09 ln( 8 5 ) ≈ 5.2223

also t=5.2

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1668 Jahre die Zahl der Blonden halbieren. a) Wenn man davon ausgeht, dass im Jahr 2000 eine Milliarde blonde Menschen auf der Welt waren, wie viele (in Milliarden) wären es dann im Jahr 2239? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,4 Milliarden Blondies?

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Da wir von exponentiellem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= a · e k · t .

Da der Anfangsbestand 1 ist, gilt: f(0)= 1, also 1 = a · e k · 0 = a = a

somit gilt: f(t)= e k · t , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel TH= -ln(2) k um zu
k= -ln(2) T = -ln(2) 1668 ≈ -0.00041555586364505


=> f(t)= e -0,0004t


Wert zur Zeit 239: f(239)= e -0,0004239 ≈ 0.9


Wann wird der Wert 0.4?: f(t)=0.4

e -0,0004t = 0,4 |ln(⋅)
-0,0004t = ln( 0,4 ) |:-0,0004
t = - 1 0,0004 ln( 0,4 ) ≈ 2202.622

also t=2202.6

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 12% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 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 · e k · t .

Da der Anfangsbestand 100 ist, gilt: f(0)= 100, also 100 = a · e k · 0 = a = a

somit gilt: f(t)= 100 e k · 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 -0,1278t


Wert zur Zeit 2: f(2)= 100 e -0,12782 ≈ 77.4


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

100 e -0,1278t = 28 |:100
e -0,1278t = 7 25 |ln(⋅)
-0,1278t = ln( 7 25 ) |:-0,1278
t = - 1 0,1278 ln( 7 25 ) ≈ 9.9606

also t=10

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 55° erhitzt hat. Nach 4 min ist das Wasser auf 52° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 3 Minuten?b) Wie lange ist der Boiler ausgeschaltet, wenn er bei einer Wassertemperatur von 50° wieder automatisch einschaltet?

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Da wir von beschränktem Wachstum ausgehen, haben wir einen Funktionsterm der Form f(t)= S - c · e -k · t .

Aus dem Text entnehmen wir, dass die Schranke S=20 sein muss.

Da der Anfangsbestand 55 ist, gilt: f(0)= 55, also 55 = 20 - c · e -k · 0 = 20 - c = 20 - c

55 = 20 - c
55 = -c +20 | -55 + c
c = -35

somit gilt: f(t)= 20 +35 e -k · t , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= 20 +35 e -k · 4 = 52.

20 +35 e -4k = 52,0004
35 e -4k +20 = 52,0004 | -20
35 e -4k = 32,0004 |:35
e -4k = 0,9143 |ln(⋅)
-4k = ln( 0,9143 ) |:-4
k = - 1 4 ln( 0,9143 ) ≈ 0.0224

also k ≈ 0.022399133452939, => f(t)= 20 +35 e -0,0224t


Wert zur Zeit 3: f(3)= 20 +35 e -0,02243 ≈ 52.7


Wann wird der Wert 50?: f(t)=50

20 +35 e -0,0224t = 50
35 e -0,0224t +20 = 50 | -20
35 e -0,0224t = 30 |:35
e -0,0224t = 6 7 |ln(⋅)
-0,0224t = ln( 6 7 ) |:-0,0224
t = - 1 0,0224 ln( 6 7 ) ≈ 6.8817

also t=6.9

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,2% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 13 Jahren, wenn jedes Jahr 0,6 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 81 Millionen Einwohner?

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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) = 0.6 - 0.012⋅f(t)

wenn man 0.012 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.012( 0.6 0.012 - f(t))

also f'(t) = 0.012(50 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=50 und der Wachstumsfaktor k=0.012 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= 50 - c · e -0,012t haben.

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

80 = 50 - c · e -0,0120
80 = 50 - c
80 = -c +50 | -80 + c
c = -30

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= 50 +30 e -0,012x


Wert zur Zeit 13: f(13)= 50 +30 e -0,01213 ≈ 75.7


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

50 +30 e -0,012t = 81
30 e -0,012t +50 = 81 | -50
30 e -0,012t = 31 |:30
e -0,012t = 31 30 |ln(⋅)
-0,012t = ln( 31 30 ) |:-0,012
t = - 1 0,012 ln( 31 30 ) ≈ -2.7325

also t=-2.7

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit f(t)= 14 e -0,02t (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 TH = - ln(2) k ein:

TH = - ln(2) -0,02 34.657 min