Mathebattle EduRandomtasks

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 84 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 57 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 84: f(84)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 84}$ ≈ 0.3

Wann wird der Wert 57?: f(t)=57

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$57$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$2 850 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (2 850 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (2 850 000)$	≈ 129.1297

also t=129.1

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1346 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 2199? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,6 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1346}$ ≈ -0.0005149681876374

=> f(t)= $e^{- 0,0005 t}$

Wert zur Zeit 199: f(199)= $e^{- 0,0005 \cdot 199}$ ≈ 0.9

Wann wird der Wert 0.6?: f(t)=0.6

$e^{- 0,0005 t}$	=	$0,6$	\|ln(⋅)
$- 0,0005 t$	=	$\ln (0,6)$	\|: $- 0,0005$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0005} \ln (0,6)$	≈ 991.8944

also t=991.9

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 2% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 16 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 5 Stunden? b) Wann sind es 18 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 16 ist, gilt: f(0)= 16, also 16 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $16 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.02) ≈ 0.01980262729618

=> f(t)= $16 e^{0,0198 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $16 e^{0,0198 \cdot 5}$ ≈ 17.7

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

$16 e^{0,0198 t}$	=	$18$	\|: $16$
$e^{0,0198 t}$	=	$\frac{9}{8}$	\|ln(⋅)
$0,0198 t$	=	$\ln (\frac{9}{8})$	\|: $0,0198$
$t$	=	$\frac{1}{0,0198} \ln (\frac{9}{8})$	≈ 5.9486

also t=5.9

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 32°C wird eine Limo aus einem 8° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 5 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 15,91°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 7 Minuten? b) Wann ist sie 15°C warm?

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=32 sein muss.

Da der Anfangsbestand 8 ist, gilt: f(0)= 8, also 8 = $32 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $32 - c$ = $32 - c$

$8$	=	$32 - c$
$8$	=	$- c + 32$	\| $- 8$ $+ c$
$c$	=	$24$

somit gilt: f(t)= $32 - 24 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $32 - 24 e^{- k \cdot 5}$ = 15,91.

32 - 24 e^{- 5 k}

=

15,9123

$- 24 e^{- 5 k} + 32$	=	$15,9123$	\| $- 32$
$- 24 e^{- 5 k}$	=	$- 16,0877$	\|: $- 24$
$e^{- 5 k}$	=	$0,6703$	\|ln(⋅)
$- 5 k$	=	$\ln (0,6703)$	\|: $- 5$
$k$	=	$- \frac{1}{5} \ln (0,6703)$	≈ 0.08

also k ≈ 0.080005981123645, => f(t)= $32 - 24 e^{- 0,08 t}$

Wert zur Zeit 7: f(7)= $32 - 24 e^{- 0,08 \cdot 7}$ ≈ 18.3

Wann wird der Wert 15?: f(t)=15

32 - 24 e^{- 0,08 t}

=

15

$- 24 e^{- 0,08 t} + 32$	=	$15$	\| $- 32$
$- 24 e^{- 0,08 t}$	=	$- 17$	\|: $- 24$
$e^{- 0,08 t}$	=	$\frac{17}{24}$	\|ln(⋅)
$- 0,08 t$	=	$\ln (\frac{17}{24})$	\|: $- 0,08$
$t$	=	$- \frac{1}{0,08} \ln (\frac{17}{24})$	≈ 4.3105

also t=4.3

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 5 Jahren, wenn jedes Jahr 0,3 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 28 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) = 0.3 - 0.012⋅f(t)

wenn man 0.012 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.012( $\frac{0.3}{0.012}$ - f(t))

also f'(t) = 0.012(25 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=25 und der Wachstumsfaktor k=0.012 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $25 - c \cdot e^{- 0,012 t}$ haben.

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

$80$	=	$25 - c \cdot e^{- 0,012 \cdot 0}$
$80$	=	$25 - c$
$80$	=	$- c + 25$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 55$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $25 + 55 e^{- 0,012 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $25 + 55 e^{- 0,012 \cdot 5}$ ≈ 76.8

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

25 + 55 e^{- 0,012 t}

=

28

$55 e^{- 0,012 t} + 25$	=	$28$	\| $- 25$
$55 e^{- 0,012 t}$	=	$3$	\|: $55$
$e^{- 0,012 t}$	=	$\frac{3}{55}$	\|ln(⋅)
$- 0,012 t$	=	$\ln (\frac{3}{55})$	\|: $- 0,012$
$t$	=	$- \frac{1}{0,012} \ln (\frac{3}{55})$	≈ 242.3934

also t=242.4

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $4 e^{- 0,09 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,09$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,09$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,09}$ ≈ 7.702 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.