Mathebattle EduRandomtasks

Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 10g vorhanden. Nach 3 Tagen sind nur noch 9,139g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 4 Tagen da? b) Wann sind nur noch 8g 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 10 ist, gilt: f(0)= 10, also 10 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $10 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $10 e^{k \cdot 3}$ = 9,1393.

$10 e^{3 k}$	=	$9,1393$	\|: $10$
$e^{3 k}$	=	$0,9139$	\|ln(⋅)
$3 k$	=	$\ln (0,9139)$	\|: $3$
$k$	=	$\frac{1}{3} \ln (0,9139)$	≈ -0.03

also k ≈ -0.03001137423466, => f(t)= $10 e^{- 0,03 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $10 e^{- 0,03 \cdot 4}$ ≈ 8.9

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

$10 e^{- 0,03 t}$	=	$8$	\|: $10$
$e^{- 0,03 t}$	=	$\frac{4}{5}$	\|ln(⋅)
$- 0,03 t$	=	$\ln (\frac{4}{5})$	\|: $- 0,03$
$t$	=	$- \frac{1}{0,03} \ln (\frac{4}{5})$	≈ 7.4381

also t=7.4

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 18 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 18-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 13 Jahren (in Tausend Euro)? b) Wann ist das Vermögen auf 90-Tausend Euro gestiegen?

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 Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{18}$ ≈ 0.038508176697775

=> f(t)= $18 e^{0,0385 t}$

Wert zur Zeit 13: f(13)= $18 e^{0,0385 \cdot 13}$ ≈ 29.7

Wann wird der Wert 90?: f(t)=90

$18 e^{0,0385 t}$	=	$90$	\|: $18$
$e^{0,0385 t}$	=	$5$	\|ln(⋅)
$0,0385 t$	=	$\ln (5)$	\|: $0,0385$
$t$	=	$\frac{1}{0,0385} \ln (5)$	≈ 41.7949

also t=41.8

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 15% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 6 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 3 Stunden? b) Wann sind es 10 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 6 ist, gilt: f(0)= 6, also 6 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $6 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

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

=> f(t)= $6 e^{0,1398 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $6 e^{0,1398 \cdot 3}$ ≈ 9.1

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

$6 e^{0,1398 t}$	=	$10$	\|: $6$
$e^{0,1398 t}$	=	$\frac{5}{3}$	\|ln(⋅)
$0,1398 t$	=	$\ln (\frac{5}{3})$	\|: $0,1398$
$t$	=	$\frac{1}{0,1398} \ln (\frac{5}{3})$	≈ 3.654

also t=3.7

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 65° 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 2 Minuten?b) Wie lange ist der Boiler ausgeschaltet, wenn er bei einer Wassertemperatur von 50° wieder automatisch einschaltet?

Lösung einblenden

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 65 ist, gilt: f(0)= 65, also 65 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$65$	=	$20 - c$
$65$	=	$- c + 20$	\| $- 65$ $+ c$
$c$	=	$- 45$

somit gilt: f(t)= $20 + 45 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $20 + 45 e^{- k \cdot 4}$ = 52.

20 + 45 e^{- 4 k}

=

52,0041

$45 e^{- 4 k} + 20$	=	$52,0041$	\| $- 20$
$45 e^{- 4 k}$	=	$32,0041$	\|: $45$
$e^{- 4 k}$	=	$0,7112$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,7112)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,7112)$	≈ 0.0852

also k ≈ 0.085200398695611, => f(t)= $20 + 45 e^{- 0,0852 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $20 + 45 e^{- 0,0852 \cdot 2}$ ≈ 57.9

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

20 + 45 e^{- 0,0852 t}

=

50

$45 e^{- 0,0852 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$45 e^{- 0,0852 t}$	=	$30$	\|: $45$
$e^{- 0,0852 t}$	=	$\frac{2}{3}$	\|ln(⋅)
$- 0,0852 t$	=	$\ln (\frac{2}{3})$	\|: $- 0,0852$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0852} \ln (\frac{2}{3})$	≈ 4.759

also t=4.8

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 10% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 3564 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 76 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 9 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2921 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) = 76 - 0.1⋅f(t)

wenn man 0.1 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.1( $\frac{76}{0.1}$ - f(t))

also f'(t) = 0.1(760 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=760 und der Wachstumsfaktor k=0.1 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $760 - c \cdot e^{- 0,1 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=3564 ein (Punktprobe).

$3 564$	=	$760 - c \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$
$3 564$	=	$760 - c$
$3 564$	=	$- c + 760$	\| $- 3 564$ $+ c$
$c$	=	$- 2 804$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $760 + 2 804 e^{- 0,1 x}$

Wert zur Zeit 9: f(9)= $760 + 2 804 e^{- 0,1 \cdot 9}$ ≈ 1900

Wann wird der Wert 2921?: f(t)=2921

760 + 2 804 e^{- 0,1 t}

=

2 921

$2 804 e^{- 0,1 t} + 760$	=	$2 921$	\| $- 760$
$2 804 e^{- 0,1 t}$	=	$2 161$	\|: $2 804$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{2161}{2804}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{2161}{2804})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{2161}{2804})$	≈ 2.6048

also t=2.6

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $15 e^{- 0,04 t}$ (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.