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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 3 Millionen Algen im Teich. Nach 2 Stunden sind es 3,186 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 4 Stunden? b) Wann waren es 4 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 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $3 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $3 e^{k \cdot 2}$ = 3,1855.

$3 e^{2 k}$	=	$3,1855$	\|: $3$
$e^{2 k}$	=	$1,0618$	\|ln(⋅)
$2 k$	=	$\ln (1,0618)$	\|: $2$
$k$	=	$\frac{1}{2} \ln (1,0618)$	≈ 0.03

also k ≈ 0.029982790583717, => f(t)= $3 e^{0,03 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $3 e^{0,03 \cdot 4}$ ≈ 3.4

Wann wird der Wert 4?: f(t)=4

$3 e^{0,03 t}$	=	$4$	\|: $3$
$e^{0,03 t}$	=	$\frac{4}{3}$	\|ln(⋅)
$0,03 t$	=	$\ln (\frac{4}{3})$	\|: $0,03$
$t$	=	$\frac{1}{0,03} \ln (\frac{4}{3})$	≈ 9.5894

also t=9.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1250 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 2247? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,3 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1250}$ ≈ -0.00055451774444796

=> f(t)= $e^{- 0,0006 t}$

Wert zur Zeit 247: f(247)= $e^{- 0,0006 \cdot 247}$ ≈ 0.9

Wann wird der Wert 0.3?: f(t)=0.3

$e^{- 0,0006 t}$	=	$0,3$	\|ln(⋅)
$- 0,0006 t$	=	$\ln (0,3)$	\|: $- 0,0006$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0006} \ln (0,3)$	≈ 2169.3204

also t=2169.3

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 14% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 18 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 3 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 10 Lux?

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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 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.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.86) ≈ -0.15082288973458

=> f(t)= $18 e^{- 0,1508 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $18 e^{- 0,1508 \cdot 3}$ ≈ 11.4

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

$18 e^{- 0,1508 t}$	=	$10$	\|: $18$
$e^{- 0,1508 t}$	=	$\frac{5}{9}$	\|ln(⋅)
$- 0,1508 t$	=	$\ln (\frac{5}{9})$	\|: $- 0,1508$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1508} \ln (\frac{5}{9})$	≈ 3.8978

also t=3.9

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 28°C wird eine Limo aus einem 10° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 4 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 10,71°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 5 Minuten? b) Wann ist sie 18°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=28 sein muss.

Da der Anfangsbestand 10 ist, gilt: f(0)= 10, also 10 = $28 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $28 - c$ = $28 - c$

$10$	=	$28 - c$
$10$	=	$- c + 28$	\| $- 10$ $+ c$
$c$	=	$18$

somit gilt: f(t)= $28 - 18 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $28 - 18 e^{- k \cdot 4}$ = 10,71.

28 - 18 e^{- 4 k}

=

10,7058

$- 18 e^{- 4 k} + 28$	=	$10,7058$	\| $- 28$
$- 18 e^{- 4 k}$	=	$- 17,2942$	\|: $- 18$
$e^{- 4 k}$	=	$0,9608$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,9608)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,9608)$	≈ 0.01

also k ≈ 0.0099972520540908, => f(t)= $28 - 18 e^{- 0,01 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $28 - 18 e^{- 0,01 \cdot 5}$ ≈ 10.9

Wann wird der Wert 18?: f(t)=18

28 - 18 e^{- 0,01 t}

=

18

$- 18 e^{- 0,01 t} + 28$	=	$18$	\| $- 28$
$- 18 e^{- 0,01 t}$	=	$- 10$	\|: $- 18$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{5}{9}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{5}{9})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{5}{9})$	≈ 58.7787

also t=58.8

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 6 Jahren, wenn jedes Jahr 0,7 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 72 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) = 0.7 - 0.013⋅f(t)

wenn man 0.013 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.013( $\frac{0.7}{0.013}$ - f(t))

also f'(t) = 0.013(53.85 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=53.85 und der Wachstumsfaktor k=0.013 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $53,85 - c \cdot e^{- 0,013 t}$ haben.

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

$80$	=	$53,85 - c \cdot e^{- 0,013 \cdot 0}$
$80$	=	$53,85 - c$
$80$	=	$- c + 53,85$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 26,15$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $53,85 + 26,15 e^{- 0,013 x}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $53,85 + 26,15 e^{- 0,013 \cdot 6}$ ≈ 78

Wann wird der Wert 72?: f(t)=72

53,85 + 26,15 e^{- 0,013 t}

=

72

$26,15 e^{- 0,013 t} + 53,85$	=	$72$	\| $- 53,85$
$26,15 e^{- 0,013 t}$	=	$18,15$	\|: $26,15$
$e^{- 0,013 t}$	=	$0,6941$	\|ln(⋅)
$- 0,013 t$	=	$\ln (0,6941)$	\|: $- 0,013$
$t$	=	$- \frac{1}{0,013} \ln (0,6941)$	≈ 28.0876

also t=28.1

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $18 e^{0,07 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,07$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,07$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,07}$ ≈ 9.902 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.