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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 5 Millionen Algen im Teich. Nach 7 Stunden sind es 8,753 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 9 Stunden? b) Wann waren es 7 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 5 ist, gilt: f(0)= 5, also 5 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $5 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(7)= $5 e^{k \cdot 7}$ = 8,7534.

$5 e^{7 k}$	=	$8,7534$	\|: $5$
$e^{7 k}$	=	$1,7507$	\|ln(⋅)
$7 k$	=	$\ln (1,7507)$	\|: $7$
$k$	=	$\frac{1}{7} \ln (1,7507)$	≈ 0.08

also k ≈ 0.080002243993821, => f(t)= $5 e^{0,08 t}$

Wert zur Zeit 9: f(9)= $5 e^{0,08 \cdot 9}$ ≈ 10.3

Wann wird der Wert 7?: f(t)=7

$5 e^{0,08 t}$	=	$7$	\|: $5$
$e^{0,08 t}$	=	$\frac{7}{5}$	\|ln(⋅)
$0,08 t$	=	$\ln (\frac{7}{5})$	\|: $0,08$
$t$	=	$\frac{1}{0,08} \ln (\frac{7}{5})$	≈ 4.2059

also t=4.2

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 19 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 18-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 45 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= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{19}$ ≈ 0.036481430555787

=> f(t)= $18 e^{0,0365 t}$

Wert zur Zeit 45: f(45)= $18 e^{0,0365 \cdot 45}$ ≈ 92.9

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

$18 e^{0,0365 t}$	=	$90$	\|: $18$
$e^{0,0365 t}$	=	$5$	\|ln(⋅)
$0,0365 t$	=	$\ln (5)$	\|: $0,0365$
$t$	=	$\frac{1}{0,0365} \ln (5)$	≈ 44.1172

also t=44.1

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 5% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 85% 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(0.95) ≈ -0.051293294387551

=> f(t)= $100 e^{- 0,0513 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $100 e^{- 0,0513 \cdot 2}$ ≈ 90.2

Wann wird der Wert 85?: f(t)=85

$100 e^{- 0,0513 t}$	=	$85$	\|: $100$
$e^{- 0,0513 t}$	=	$\frac{17}{20}$	\|ln(⋅)
$- 0,0513 t$	=	$\ln (\frac{17}{20})$	\|: $- 0,0513$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0513} \ln (\frac{17}{20})$	≈ 3.168

also t=3.2

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 25°C wird eine Limo aus einem 3° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 4 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 6,25°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 5 Minuten? b) Wann ist sie 15°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=25 sein muss.

Da der Anfangsbestand 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $25 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $25 - c$ = $25 - c$

$3$	=	$25 - c$
$3$	=	$- c + 25$	\| $- 3$ $+ c$
$c$	=	$22$

somit gilt: f(t)= $25 - 22 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $25 - 22 e^{- k \cdot 4}$ = 6,25.

25 - 22 e^{- 4 k}

=

6,2528

$- 22 e^{- 4 k} + 25$	=	$6,2528$	\| $- 25$
$- 22 e^{- 4 k}$	=	$- 18,7472$	\|: $- 22$
$e^{- 4 k}$	=	$0,8521$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,8521)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,8521)$	≈ 0.04

also k ≈ 0.040012847037057, => f(t)= $25 - 22 e^{- 0,04 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $25 - 22 e^{- 0,04 \cdot 5}$ ≈ 7

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

25 - 22 e^{- 0,04 t}

=

15

$- 22 e^{- 0,04 t} + 25$	=	$15$	\| $- 25$
$- 22 e^{- 0,04 t}$	=	$- 10$	\|: $- 22$
$e^{- 0,04 t}$	=	$\frac{5}{11}$	\|ln(⋅)
$- 0,04 t$	=	$\ln (\frac{5}{11})$	\|: $- 0,04$
$t$	=	$- \frac{1}{0,04} \ln (\frac{5}{11})$	≈ 19.7114

also t=19.7

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,4% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 9 Jahren, wenn jedes Jahr 0,7 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 54 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 - 0.014⋅f(t)

wenn man 0.014 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.014( $\frac{0.7}{0.014}$ - f(t))

also f'(t) = 0.014(50 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=50 und der Wachstumsfaktor k=0.014 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $50 - c \cdot e^{- 0,014 t}$ haben.

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

$80$	=	$50 - c \cdot e^{- 0,014 \cdot 0}$
$80$	=	$50 - c$
$80$	=	$- c + 50$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 30$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $50 + 30 e^{- 0,014 x}$

Wert zur Zeit 9: f(9)= $50 + 30 e^{- 0,014 \cdot 9}$ ≈ 76.4

Wann wird der Wert 54?: f(t)=54

50 + 30 e^{- 0,014 t}

=

54

$30 e^{- 0,014 t} + 50$	=	$54$	\| $- 50$
$30 e^{- 0,014 t}$	=	$4$	\|: $30$
$e^{- 0,014 t}$	=	$\frac{2}{15}$	\|ln(⋅)
$- 0,014 t$	=	$\ln (\frac{2}{15})$	\|: $- 0,014$
$t$	=	$- \frac{1}{0,014} \ln (\frac{2}{15})$	≈ 143.9216

also t=143.9

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $17 e^{0,02 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,02$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,02$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,02}$ ≈ 34.657 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.