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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 20 Millionen Algen im Teich. Nach 8 Stunden sind es 35,013 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 11 Stunden? b) Wann waren es 34 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 20 ist, gilt: f(0)= 20, also 20 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

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

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $20 e^{k \cdot 8}$ = 35,0135.

$20 e^{8 k}$	=	$35,0135$	\|: $20$
$e^{8 k}$	=	$1,7507$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,7507)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,7507)$	≈ 0.07

also k ≈ 0.070001963494594, => f(t)= $20 e^{0,07 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $20 e^{0,07 \cdot 11}$ ≈ 43.2

Wann wird der Wert 34?: f(t)=34

$20 e^{0,07 t}$	=	$34$	\|: $20$
$e^{0,07 t}$	=	$\frac{17}{10}$	\|ln(⋅)
$0,07 t$	=	$\ln (\frac{17}{10})$	\|: $0,07$
$t$	=	$\frac{1}{0,07} \ln (\frac{17}{10})$	≈ 7.5804

also t=7.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Der Schalldruck (in Pa) verdoppelt sich alle 6,02 Db (Dezibel) Schalldruckpegel. Bei 0 Db ist der Schalldruck 0,00002 Pa. a) Welcher Schalldruck ist bei 71 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 86 Pa beträgt?

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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 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.

Wir berechnen k über die Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{6.02}$ ≈ 0.11514072766777

=> f(t)= $0,00002 e^{0,1151 t}$

Wert zur Zeit 71: f(71)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 71}$ ≈ 0.1

Wann wird der Wert 86?: f(t)=86

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$86$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$4 300 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (4 300 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (4 300 000)$	≈ 132.6558

also t=132.7

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 6% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 12 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 5 Stunden? b) Wann sind es 15 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 12 ist, gilt: f(0)= 12, also 12 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $12 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.06) ≈ 0.058268908123976

=> f(t)= $12 e^{0,0583 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $12 e^{0,0583 \cdot 5}$ ≈ 16.1

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

$12 e^{0,0583 t}$	=	$15$	\|: $12$
$e^{0,0583 t}$	=	$\frac{5}{4}$	\|ln(⋅)
$0,0583 t$	=	$\ln (\frac{5}{4})$	\|: $0,0583$
$t$	=	$\frac{1}{0,0583} \ln (\frac{5}{4})$	≈ 3.8275

also t=3.8

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 29°C wird eine Limo aus einem 6° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 3 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 7,98°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 4 Minuten? b) Wann ist sie 19°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=29 sein muss.

Da der Anfangsbestand 6 ist, gilt: f(0)= 6, also 6 = $29 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $29 - c$ = $29 - c$

$6$	=	$29 - c$
$6$	=	$- c + 29$	\| $- 6$ $+ c$
$c$	=	$23$

somit gilt: f(t)= $29 - 23 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $29 - 23 e^{- k \cdot 3}$ = 7,98.

29 - 23 e^{- 3 k}

=

7,9796

$- 23 e^{- 3 k} + 29$	=	$7,9796$	\| $- 29$
$- 23 e^{- 3 k}$	=	$- 21,0204$	\|: $- 23$
$e^{- 3 k}$	=	$0,9139$	\|ln(⋅)
$- 3 k$	=	$\ln (0,9139)$	\|: $- 3$
$k$	=	$- \frac{1}{3} \ln (0,9139)$	≈ 0.03

also k ≈ 0.03001137423466, => f(t)= $29 - 23 e^{- 0,03 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $29 - 23 e^{- 0,03 \cdot 4}$ ≈ 8.6

Wann wird der Wert 19?: f(t)=19

29 - 23 e^{- 0,03 t}

=

19

$- 23 e^{- 0,03 t} + 29$	=	$19$	\| $- 29$
$- 23 e^{- 0,03 t}$	=	$- 10$	\|: $- 23$
$e^{- 0,03 t}$	=	$\frac{10}{23}$	\|ln(⋅)
$- 0,03 t$	=	$\ln (\frac{10}{23})$	\|: $- 0,03$
$t$	=	$- \frac{1}{0,03} \ln (\frac{10}{23})$	≈ 27.7636

also t=27.8

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 8% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 3398 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 61 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 5 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2288 Wörter ?

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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) = 61 - 0.08⋅f(t)

wenn man 0.08 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.08( $\frac{61}{0.08}$ - f(t))

also f'(t) = 0.08(762.5 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=762.5 und der Wachstumsfaktor k=0.08 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $762,5 - c \cdot e^{- 0,08 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=3398 ein (Punktprobe).

$3 398$	=	$762,5 - c \cdot e^{- 0,08 \cdot 0}$
$3 398$	=	$762,5 - c$
$3 398$	=	$- c + 762,5$	\| $- 3 398$ $+ c$
$c$	=	$- 2 635,5$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $762,5 + 2 635,5 e^{- 0,08 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $762,5 + 2 635,5 e^{- 0,08 \cdot 5}$ ≈ 2529.1

Wann wird der Wert 2288?: f(t)=2288

762,5 + 2 635,5 e^{- 0,08 t}

=

2 288

$2 635,5 e^{- 0,08 t} + 762,5$	=	$2 288$	\| $- 762,5$
$2 635,5 e^{- 0,08 t}$	=	$1 525,5$	\|: $2 635,5$
$e^{- 0,08 t}$	=	$0,5788$	\|ln(⋅)
$- 0,08 t$	=	$\ln (0,5788)$	\|: $- 0,08$
$t$	=	$- \frac{1}{0,08} \ln (0,5788)$	≈ 6.835

also t=6.8

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $18 e^{0,09 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,09$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

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

T_V = $\frac{ln(2)}{0,09}$ ≈ 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.