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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 99 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 28 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 99: f(99)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 99}$ ≈ 1.8

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

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$28$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$1 400 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (1 400 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (1 400 000)$	≈ 122.9538

also t=123

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 69 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 15g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 35 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 4,5g 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 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.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel T_H= $\frac{-ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{69}$ ≈ -0.010045611312463

=> f(t)= $15 e^{- 0,01 t}$

Wert zur Zeit 35: f(35)= $15 e^{- 0,01 \cdot 35}$ ≈ 10.6

Wann wird der Wert 4.5?: f(t)=4.5

$15 e^{- 0,01 t}$	=	$4,5$	\|: $15$
$e^{- 0,01 t}$	=	$0,3$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (0,3)$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (0,3)$	≈ 119.846

also t=119.8

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 10% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 3 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 60% 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(0.9) ≈ -0.10536051565783

=> f(t)= $100 e^{- 0,1054 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $100 e^{- 0,1054 \cdot 3}$ ≈ 72.9

Wann wird der Wert 60?: f(t)=60

$100 e^{- 0,1054 t}$	=	$60$	\|: $100$
$e^{- 0,1054 t}$	=	$\frac{3}{5}$	\|ln(⋅)
$- 0,1054 t$	=	$\ln (\frac{3}{5})$	\|: $- 0,1054$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1054} \ln (\frac{3}{5})$	≈ 4.8465

also t=4.8

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 25°C wird eine Limo aus einem 8° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 8 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 16,73°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 11 Minuten? b) Wann ist sie 24°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 8 ist, gilt: f(0)= 8, also 8 = $25 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $25 - c$ = $25 - c$

$8$	=	$25 - c$
$8$	=	$- c + 25$	\| $- 8$ $+ c$
$c$	=	$17$

somit gilt: f(t)= $25 - 17 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $25 - 17 e^{- k \cdot 8}$ = 16,73.

25 - 17 e^{- 8 k}

=

16,7252

$- 17 e^{- 8 k} + 25$	=	$16,7252$	\| $- 25$
$- 17 e^{- 8 k}$	=	$- 8,2748$	\|: $- 17$
$e^{- 8 k}$	=	$0,4868$	\|ln(⋅)
$- 8 k$	=	$\ln (0,4868)$	\|: $- 8$
$k$	=	$- \frac{1}{8} \ln (0,4868)$	≈ 0.09

also k ≈ 0.089987739733596, => f(t)= $25 - 17 e^{- 0,09 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $25 - 17 e^{- 0,09 \cdot 11}$ ≈ 18.7

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

25 - 17 e^{- 0,09 t}

=

24

$- 17 e^{- 0,09 t} + 25$	=	$24$	\| $- 25$
$- 17 e^{- 0,09 t}$	=	$- 1$	\|: $- 17$
$e^{- 0,09 t}$	=	$\frac{1}{17}$	\|ln(⋅)
$- 0,09 t$	=	$\ln (\frac{1}{17})$	\|: $- 0,09$
$t$	=	$- \frac{1}{0,09} \ln (\frac{1}{17})$	≈ 31.4801

also t=31.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,3% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 6 Jahren, wenn jedes Jahr 0,4 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 52 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) = 0.4 - 0.013⋅f(t)

wenn man 0.013 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.013( $\frac{0.4}{0.013}$ - f(t))

also f'(t) = 0.013(30.77 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=30.77 und der Wachstumsfaktor k=0.013 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $30,77 - c \cdot e^{- 0,013 t}$ haben.

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

$80$	=	$30,77 - c \cdot e^{- 0,013 \cdot 0}$
$80$	=	$30,77 - c$
$80$	=	$- c + 30,77$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 49,23$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $30,77 + 49,23 e^{- 0,013 x}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $30,77 + 49,23 e^{- 0,013 \cdot 6}$ ≈ 76.3

Wann wird der Wert 52?: f(t)=52

30,77 + 49,23 e^{- 0,013 t}

=

52

$49,23 e^{- 0,013 t} + 30,77$	=	$52$	\| $- 30,77$
$49,23 e^{- 0,013 t}$	=	$21,23$	\|: $49,23$
$e^{- 0,013 t}$	=	$0,4312$	\|ln(⋅)
$- 0,013 t$	=	$\ln (0,4312)$	\|: $- 0,013$
$t$	=	$- \frac{1}{0,013} \ln (0,4312)$	≈ 64.7064

also t=64.7

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $20 e^{0,02 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

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.