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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 16 Millionen Algen im Teich. Nach 4 Stunden sind es 22,034 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 5 Stunden? b) Wann waren es 24 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 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 setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $16 e^{k \cdot 4}$ = 22,034.

$16 e^{4 k}$	=	$22,034$	\|: $16$
$e^{4 k}$	=	$1,3771$	\|ln(⋅)
$4 k$	=	$\ln (1,3771)$	\|: $4$
$k$	=	$\frac{1}{4} \ln (1,3771)$	≈ 0.08

also k ≈ 0.079994959687736, => f(t)= $16 e^{0,08 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $16 e^{0,08 \cdot 5}$ ≈ 23.9

Wann wird der Wert 24?: f(t)=24

$16 e^{0,08 t}$	=	$24$	\|: $16$
$e^{0,08 t}$	=	$\frac{3}{2}$	\|ln(⋅)
$0,08 t$	=	$\ln (\frac{3}{2})$	\|: $0,08$
$t$	=	$\frac{1}{0,08} \ln (\frac{3}{2})$	≈ 5.0683

also t=5.1

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 607 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 19g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 789 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 9,5g Gaußium da?

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 19 ist, gilt: f(0)= 19, also 19 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $19 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{607}$ ≈ -0.0011419228674793

=> f(t)= $19 e^{- 0,0011 t}$

Wert zur Zeit 789: f(789)= $19 e^{- 0,0011 \cdot 789}$ ≈ 7.7

Wann wird der Wert 9.5?: f(t)=9.5

$19 e^{- 0,0011 t}$	=	$9,5$	\|: $19$
$e^{- 0,0011 t}$	=	$0,5$	\|ln(⋅)
$- 0,0011 t$	=	$\ln (0,5)$	\|: $- 0,0011$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0011} \ln (0,5)$	≈ 606.959

also t=607

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 11% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 14 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 4 Stunden? b) Wann sind es 20 Millarden?

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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 14 ist, gilt: f(0)= 14, also 14 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $14 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.11) ≈ 0.10436001532424

=> f(t)= $14 e^{0,1044 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $14 e^{0,1044 \cdot 4}$ ≈ 21.3

Wann wird der Wert 20?: f(t)=20

$14 e^{0,1044 t}$	=	$20$	\|: $14$
$e^{0,1044 t}$	=	$\frac{10}{7}$	\|ln(⋅)
$0,1044 t$	=	$\ln (\frac{10}{7})$	\|: $0,1044$
$t$	=	$\frac{1}{0,1044} \ln (\frac{10}{7})$	≈ 3.4164

also t=3.4

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Die Körpertemperatur eines Menschen wird mit dem Fieberthermometer gemessen. Dabei ist die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Thermometers steigt, proportional zur Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und der des Thermometers. Bei der Untersuchung eines gesunden Menschen, dessen Körpertemperatur 37,0 Grad beträgt, steigt die Anzeige des Thermometers in der ersten halben Minute von 17,0 Grad auf 30 Grad an. a) Welche Temperatur zeigt das Thermometer nach 2,5 Minuten an? b) Wann zeigt es 36,9° an?

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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=37 sein muss.

Da der Anfangsbestand 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $37 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $37 - c$ = $37 - c$

$17$	=	$37 - c$
$17$	=	$- c + 37$	\| $- 17$ $+ c$
$c$	=	$20$

somit gilt: f(t)= $37 - 20 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(0.5)= $37 - 20 e^{- k \cdot 0,5}$ = 30.

37 - 20 e^{- 0,5 k}

=

29,9998

$- 20 e^{- 0,5 k} + 37$	=	$29,9998$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 0,5 k}$	=	$- 7,0002$	\|: $- 20$
$e^{- 0,5 k}$	=	$0,35$	\|ln(⋅)
$- 0,5 k$	=	$\ln (0,35)$	\|: $- 0,5$
$k$	=	$- \frac{1}{0,5} \ln (0,35)$	≈ 2.0996

also k ≈ 2.0996442489974, => f(t)= $37 - 20 e^{- 2,0996 t}$

Wert zur Zeit 2.5: f(2.5)= $37 - 20 e^{- 2,0996 \cdot 2,5}$ ≈ 36.9

Wann wird der Wert 36.9?: f(t)=36.9

37 - 20 e^{- 2,0996 t}

=

36,9

$- 20 e^{- 2,0996 t} + 37$	=	$36,9$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 2,0996 t}$	=	$- 0,1$	\|: $- 20$
$e^{- 2,0996 t}$	=	$0,005$	\|ln(⋅)
$- 2,0996 t$	=	$\ln (0,005)$	\|: $- 2,0996$
$t$	=	$- \frac{1}{2,0996} \ln (0,005)$	≈ 2.5235

also t=2.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 7ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 1% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 12 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 257ml davon in seinem Blut?

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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) = 7 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{7}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(700 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=700 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $700 - c \cdot e^{- 0,01 t}$ haben.

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

0	=	$700 - c \cdot e^{- 0,01 \cdot 0}$
0	=	$700 - c$
0	=	$- c + 700$	\|0 $+ c$
$c$	=	$700$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $700 - 700 e^{- 0,01 x}$

Wert zur Zeit 12: f(12)= $700 - 700 e^{- 0,01 \cdot 12}$ ≈ 79.2

Wann wird der Wert 257?: f(t)=257

700 - 700 e^{- 0,01 t}

=

257

$- 700 e^{- 0,01 t} + 700$	=	$257$	\| $- 700$
$- 700 e^{- 0,01 t}$	=	$- 443$	\|: $- 700$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{443}{700}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{443}{700})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{443}{700})$	≈ 45.7511

also t=45.8

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $4 e^{- 0,05 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,05$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,05$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,05}$ ≈ 13.863 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.