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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Der Schalldruckpegel gibt an wie laut etwas ist. Die zugehörige Maßeinheit ist dB (Dezibel). Der leiseste für den Menschen noch wahrnehmbare Schall ist 0 Dezibel. Dabei ist der Schalldruck 0,00002 Pa (Pascal). Mit steigendem Schalldruckpegel (in dB) wächst der Schalldruck (in Pa) exponentiell. Ein Fernseher auf Zimmerlautstärke erzeugt einen Schalldruckpegel von 60 dB, was einem Schalldruck von 0,02 Pa entspricht. a) Wie hoch ist der Schalldruck bei 73 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 69 Pa?

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 0.00002 ist, gilt: f(0)= 0.00002, also 0.00002 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $0,00002 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(60)= $0,00002 e^{k \cdot 60}$ = 0,02.

$0,00002 e^{60 k}$	=	$0,02$	\|: $0,00002$
$e^{60 k}$	=	$1 000$	\|ln(⋅)
$60 k$	=	$\ln (1 000)$	\|: $60$
$k$	=	$\frac{1}{60} \ln (1 000)$	≈ 0.1151

also k ≈ 0.1151292546497, => f(t)= $0,00002 e^{0,1151 t}$

Wert zur Zeit 73: f(73)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 73}$ ≈ 0.1

Wann wird der Wert 69?: f(t)=69

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$69$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$3 450 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (3 450 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (3 450 000)$	≈ 130.7896

also t=130.8

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Der Schalldruck (in Pa) verdoppelt sich alle 6,02 Db (Dezibel) Schalldruckpegel. Bei 0 Db ist der Schalldruck 0,00002 Pa. a) Welcher Schalldruck ist bei 91 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 80 Pa beträgt?

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 0.00002 ist, gilt: f(0)= 0.00002, also 0.00002 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $0,00002 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Wir berechnen k über die Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{6.02}$ ≈ 0.11514072766777

=> f(t)= $0,00002 e^{0,1151 t}$

Wert zur Zeit 91: f(91)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 91}$ ≈ 0.7

Wann wird der Wert 80?: f(t)=80

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$80$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$4 000 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (4 000 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (4 000 000)$	≈ 132.0277
$t$	=	$\frac{2}{0,1151} \ln (2 000)$

also t=132

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 15% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 25% der Masse da?

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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 100 ist, gilt: f(0)= 100, also 100 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $100 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.85) ≈ -0.16251892949777

=> f(t)= $100 e^{- 0,1625 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $100 e^{- 0,1625 \cdot 2}$ ≈ 72.3

Wann wird der Wert 25?: f(t)=25

$100 e^{- 0,1625 t}$	=	$25$	\|: $100$
$e^{- 0,1625 t}$	=	$\frac{1}{4}$	\|ln(⋅)
$- 0,1625 t$	=	$\ln (\frac{1}{4})$	\|: $- 0,1625$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1625} \ln (\frac{1}{4})$	≈ 8.531

also t=8.5

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 58° erhitzt hat. Nach 3 min ist das Wasser auf 51° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 4 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)= $S - c \cdot e^{- k \cdot t}$ .

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

Da der Anfangsbestand 58 ist, gilt: f(0)= 58, also 58 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$58$	=	$20 - c$
$58$	=	$- c + 20$	\| $- 58$ $+ c$
$c$	=	$- 38$

somit gilt: f(t)= $20 + 38 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $20 + 38 e^{- k \cdot 3}$ = 51.

20 + 38 e^{- 3 k}

=

50,9969

$38 e^{- 3 k} + 20$	=	$50,9969$	\| $- 20$
$38 e^{- 3 k}$	=	$30,9969$	\|: $38$
$e^{- 3 k}$	=	$0,8157$	\|ln(⋅)
$- 3 k$	=	$\ln (0,8157)$	\|: $- 3$
$k$	=	$- \frac{1}{3} \ln (0,8157)$	≈ 0.0679

also k ≈ 0.067902879558534, => f(t)= $20 + 38 e^{- 0,0679 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $20 + 38 e^{- 0,0679 \cdot 4}$ ≈ 49

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

20 + 38 e^{- 0,0679 t}

=

50

$38 e^{- 0,0679 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$38 e^{- 0,0679 t}$	=	$30$	\|: $38$
$e^{- 0,0679 t}$	=	$\frac{15}{19}$	\|ln(⋅)
$- 0,0679 t$	=	$\ln (\frac{15}{19})$	\|: $- 0,0679$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0679} \ln (\frac{15}{19})$	≈ 3.4814

also t=3.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,3% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 5 Jahren, wenn jedes Jahr 0,4 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 39 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) = 0.4 - 0.013⋅f(t)

wenn man 0.013 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.013( $\frac{0.4}{0.013}$ - f(t))

also f'(t) = 0.013(30.77 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=30.77 und der Wachstumsfaktor k=0.013 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $30,77 - c \cdot e^{- 0,013 t}$ haben.

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

$80$	=	$30,77 - c \cdot e^{- 0,013 \cdot 0}$
$80$	=	$30,77 - c$
$80$	=	$- c + 30,77$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 49,23$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $30,77 + 49,23 e^{- 0,013 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $30,77 + 49,23 e^{- 0,013 \cdot 5}$ ≈ 76.9

Wann wird der Wert 39?: f(t)=39

30,77 + 49,23 e^{- 0,013 t}

=

39

$49,23 e^{- 0,013 t} + 30,77$	=	$39$	\| $- 30,77$
$49,23 e^{- 0,013 t}$	=	$8,23$	\|: $49,23$
$e^{- 0,013 t}$	=	$0,1672$	\|ln(⋅)
$- 0,013 t$	=	$\ln (0,1672)$	\|: $- 0,013$
$t$	=	$- \frac{1}{0,013} \ln (0,1672)$	≈ 137.5819

also t=137.6

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $4 e^{0,01 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,01$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,01$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,01}$ ≈ 69.315 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.