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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 14 Millionen Algen im Teich. Nach 2 Stunden sind es 17,1 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 3 Stunden? b) Wann waren es 28 Milionen Algen?

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.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $14 e^{k \cdot 2}$ = 17,0996.

$14 e^{2 k}$	=	$17,0996$	\|: $14$
$e^{2 k}$	=	$1,2214$	\|ln(⋅)
$2 k$	=	$\ln (1,2214)$	\|: $2$
$k$	=	$\frac{1}{2} \ln (1,2214)$	≈ 0.1

also k ≈ 0.099998870903449, => f(t)= $14 e^{0,1 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $14 e^{0,1 \cdot 3}$ ≈ 18.9

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

$14 e^{0,1 t}$	=	$28$	\|: $14$
$e^{0,1 t}$	=	$2$	\|ln(⋅)
$0,1 t$	=	$\ln (2)$	\|: $0,1$
$t$	=	$\frac{1}{0,1} \ln (2)$	≈ 6.9315

also t=6.9

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1917 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 2167? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,8 Milliarden Blondies?

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 1 ist, gilt: f(0)= 1, also 1 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1917}$ ≈ -0.00036157912392277

=> f(t)= $e^{- 0,0004 t}$

Wert zur Zeit 167: f(167)= $e^{- 0,0004 \cdot 167}$ ≈ 0.9

Wann wird der Wert 0.8?: f(t)=0.8

$e^{- 0,0004 t}$	=	$0,8$	\|ln(⋅)
$- 0,0004 t$	=	$\ln (0,8)$	\|: $- 0,0004$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0004} \ln (0,8)$	≈ 616.4187

also t=616.4

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 5% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 7 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 4 Stunden? b) Wann sind es 8 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 7 ist, gilt: f(0)= 7, also 7 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $7 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.05) ≈ 0.048790164169432

=> f(t)= $7 e^{0,0488 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $7 e^{0,0488 \cdot 4}$ ≈ 8.5

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

$7 e^{0,0488 t}$	=	$8$	\|: $7$
$e^{0,0488 t}$	=	$\frac{8}{7}$	\|ln(⋅)
$0,0488 t$	=	$\ln (\frac{8}{7})$	\|: $0,0488$
$t$	=	$\frac{1}{0,0488} \ln (\frac{8}{7})$	≈ 2.7363

also t=2.7

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 26°C wird eine Limo aus einem 3° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 8 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 15,67°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 11 Minuten? b) Wann ist sie 10°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=26 sein muss.

Da der Anfangsbestand 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $26 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $26 - c$ = $26 - c$

$3$	=	$26 - c$
$3$	=	$- c + 26$	\| $- 3$ $+ c$
$c$	=	$23$

somit gilt: f(t)= $26 - 23 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $26 - 23 e^{- k \cdot 8}$ = 15,67.

26 - 23 e^{- 8 k}

=

15,6654

$- 23 e^{- 8 k} + 26$	=	$15,6654$	\| $- 26$
$- 23 e^{- 8 k}$	=	$- 10,3346$	\|: $- 23$
$e^{- 8 k}$	=	$0,4493$	\|ln(⋅)
$- 8 k$	=	$\ln (0,4493)$	\|: $- 8$
$k$	=	$- \frac{1}{8} \ln (0,4493)$	≈ 0.1

also k ≈ 0.10000805786325, => f(t)= $26 - 23 e^{- 0,1 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $26 - 23 e^{- 0,1 \cdot 11}$ ≈ 18.3

Wann wird der Wert 10?: f(t)=10

26 - 23 e^{- 0,1 t}

=

10

$- 23 e^{- 0,1 t} + 26$	=	$10$	\| $- 26$
$- 23 e^{- 0,1 t}$	=	$- 16$	\|: $- 23$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{16}{23}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{16}{23})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{16}{23})$	≈ 3.6291

also t=3.6

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,1% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 15 Jahren, wenn jedes Jahr 0,5 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 60 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 - 0.011⋅f(t)

wenn man 0.011 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.011( $\frac{0.5}{0.011}$ - f(t))

also f'(t) = 0.011(45.45 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=45.45 und der Wachstumsfaktor k=0.011 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $45,45 - c \cdot e^{- 0,011 t}$ haben.

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

$80$	=	$45,45 - c \cdot e^{- 0,011 \cdot 0}$
$80$	=	$45,45 - c$
$80$	=	$- c + 45,45$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 34,55$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $45,45 + 34,55 e^{- 0,011 x}$

Wert zur Zeit 15: f(15)= $45,45 + 34,55 e^{- 0,011 \cdot 15}$ ≈ 74.7

Wann wird der Wert 60?: f(t)=60

45,45 + 34,55 e^{- 0,011 t}

=

60

$34,55 e^{- 0,011 t} + 45,45$	=	$60$	\| $- 45,45$
$34,55 e^{- 0,011 t}$	=	$14,55$	\|: $34,55$
$e^{- 0,011 t}$	=	$0,4211$	\|ln(⋅)
$- 0,011 t$	=	$\ln (0,4211)$	\|: $- 0,011$
$t$	=	$- \frac{1}{0,011} \ln (0,4211)$	≈ 78.6259

also t=78.6

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $19 e^{- 0,03 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,03$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,03$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,03}$ ≈ 23.105 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.