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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 10 Stunden sind es 11,128 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 11 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(10)= $5 e^{k \cdot 10}$ = 11,1277.

$5 e^{10 k}$	=	$11,1277$	\|: $5$
$e^{10 k}$	=	$2,2255$	\|ln(⋅)
$10 k$	=	$\ln (2,2255)$	\|: $10$
$k$	=	$\frac{1}{10} \ln (2,2255)$	≈ 0.08

also k ≈ 0.079998160947377, => f(t)= $5 e^{0,08 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $5 e^{0,08 \cdot 11}$ ≈ 12.1

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:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 776 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 16g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 1249 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 14,4g 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 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.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel T_H= $\frac{-ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{776}$ ≈ -0.00089323090278343

=> f(t)= $16 e^{- 0,0009 t}$

Wert zur Zeit 1249: f(1249)= $16 e^{- 0,0009 \cdot 1249}$ ≈ 5.2

Wann wird der Wert 14.4?: f(t)=14.4

$16 e^{- 0,0009 t}$	=	$14,4$	\|: $16$
$e^{- 0,0009 t}$	=	$0,9$	\|ln(⋅)
$- 0,0009 t$	=	$\ln (0,9)$	\|: $- 0,0009$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0009} \ln (0,9)$	≈ 117.9849

also t=118

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 20% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 15 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 3 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 1 Lux?

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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 15 ist, gilt: f(0)= 15, also 15 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $15 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.8) ≈ -0.22314355131421

=> f(t)= $15 e^{- 0,2231 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $15 e^{- 0,2231 \cdot 3}$ ≈ 7.7

Wann wird der Wert 1?: f(t)=1

$15 e^{- 0,2231 t}$	=	$1$	\|: $15$
$e^{- 0,2231 t}$	=	$\frac{1}{15}$	\|ln(⋅)
$- 0,2231 t$	=	$\ln (\frac{1}{15})$	\|: $- 0,2231$
$t$	=	$- \frac{1}{0,2231} \ln (\frac{1}{15})$	≈ 12.1383

also t=12.1

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 62° erhitzt hat. Nach 2 min ist das Wasser auf 54° 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 62 ist, gilt: f(0)= 62, also 62 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$62$	=	$20 - c$
$62$	=	$- c + 20$	\| $- 62$ $+ c$
$c$	=	$- 42$

somit gilt: f(t)= $20 + 42 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $20 + 42 e^{- k \cdot 2}$ = 54.

20 + 42 e^{- 2 k}

=

53,9969

$42 e^{- 2 k} + 20$	=	$53,9969$	\| $- 20$
$42 e^{- 2 k}$	=	$33,9969$	\|: $42$
$e^{- 2 k}$	=	$0,8095$	\|ln(⋅)
$- 2 k$	=	$\ln (0,8095)$	\|: $- 2$
$k$	=	$- \frac{1}{2} \ln (0,8095)$	≈ 0.1057

also k ≈ 0.10566925293222, => f(t)= $20 + 42 e^{- 0,1057 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $20 + 42 e^{- 0,1057 \cdot 4}$ ≈ 47.5

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

20 + 42 e^{- 0,1057 t}

=

50

$42 e^{- 0,1057 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$42 e^{- 0,1057 t}$	=	$30$	\|: $42$
$e^{- 0,1057 t}$	=	$\frac{5}{7}$	\|ln(⋅)
$- 0,1057 t$	=	$\ln (\frac{5}{7})$	\|: $- 0,1057$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1057} \ln (\frac{5}{7})$	≈ 3.1833

also t=3.2

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 5ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 2% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 12 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 205ml 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) = 5 - 0.02⋅f(t)

wenn man 0.02 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.02( $\frac{5}{0.02}$ - f(t))

also f'(t) = 0.02(250 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=250 und der Wachstumsfaktor k=0.02 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $250 - c \cdot e^{- 0,02 t}$ haben.

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

0	=	$250 - c \cdot e^{- 0,02 \cdot 0}$
0	=	$250 - c$
0	=	$- c + 250$	\|0 $+ c$
$c$	=	$250$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $250 - 250 e^{- 0,02 x}$

Wert zur Zeit 12: f(12)= $250 - 250 e^{- 0,02 \cdot 12}$ ≈ 53.3

Wann wird der Wert 205?: f(t)=205

250 - 250 e^{- 0,02 t}

=

205

$- 250 e^{- 0,02 t} + 250$	=	$205$	\| $- 250$
$- 250 e^{- 0,02 t}$	=	$- 45$	\|: $- 250$
$e^{- 0,02 t}$	=	$\frac{9}{50}$	\|ln(⋅)
$- 0,02 t$	=	$\ln (\frac{9}{50})$	\|: $- 0,02$
$t$	=	$- \frac{1}{0,02} \ln (\frac{9}{50})$	≈ 85.7399

also t=85.7

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $19 e^{0,02 t}$ (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.