Mathebattle EduRandomtasks

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 85 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 34 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 85: f(85)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 85}$ ≈ 0.4

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

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$34$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$1 700 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (1 700 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (1 700 000)$	≈ 124.6406

also t=124.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 809 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 6g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 2404 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 5,4g 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 6 ist, gilt: f(0)= 6, also 6 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $6 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{809}$ ≈ -0.00085679503159449

=> f(t)= $6 e^{- 0,0009 t}$

Wert zur Zeit 2404: f(2404)= $6 e^{- 0,0009 \cdot 2404}$ ≈ 0.8

Wann wird der Wert 5.4?: f(t)=5.4

$6 e^{- 0,0009 t}$	=	$5,4$	\|: $6$
$e^{- 0,0009 t}$	=	$0,9$	\|ln(⋅)
$- 0,0009 t$	=	$\ln (0,9)$	\|: $- 0,0009$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0009} \ln (0,9)$	≈ 122.9411

also t=122.9

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 14% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 5 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 16% der Masse 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 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(0.86) ≈ -0.15082288973458

=> f(t)= $100 e^{- 0,1508 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $100 e^{- 0,1508 \cdot 5}$ ≈ 47

Wann wird der Wert 16?: f(t)=16

$100 e^{- 0,1508 t}$	=	$16$	\|: $100$
$e^{- 0,1508 t}$	=	$\frac{4}{25}$	\|ln(⋅)
$- 0,1508 t$	=	$\ln (\frac{4}{25})$	\|: $- 0,1508$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1508} \ln (\frac{4}{25})$	≈ 12.1524

also t=12.2

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 27°C wird eine Limo aus einem 10° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 10 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 20,09°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 11 Minuten? b) Wann ist sie 11°C warm?

Lösung einblenden

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=27 sein muss.

Da der Anfangsbestand 10 ist, gilt: f(0)= 10, also 10 = $27 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $27 - c$ = $27 - c$

$10$	=	$27 - c$
$10$	=	$- c + 27$	\| $- 10$ $+ c$
$c$	=	$17$

somit gilt: f(t)= $27 - 17 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(10)= $27 - 17 e^{- k \cdot 10}$ = 20,09.

27 - 17 e^{- 10 k}

=

20,0883

$- 17 e^{- 10 k} + 27$	=	$20,0883$	\| $- 27$
$- 17 e^{- 10 k}$	=	$- 6,9117$	\|: $- 17$
$e^{- 10 k}$	=	$0,4066$	\|ln(⋅)
$- 10 k$	=	$\ln (0,4066)$	\|: $- 10$
$k$	=	$- \frac{1}{10} \ln (0,4066)$	≈ 0.09

also k ≈ 0.089992537778789, => f(t)= $27 - 17 e^{- 0,09 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $27 - 17 e^{- 0,09 \cdot 11}$ ≈ 20.7

Wann wird der Wert 11?: f(t)=11

27 - 17 e^{- 0,09 t}

=

11

$- 17 e^{- 0,09 t} + 27$	=	$11$	\| $- 27$
$- 17 e^{- 0,09 t}$	=	$- 16$	\|: $- 17$
$e^{- 0,09 t}$	=	$\frac{16}{17}$	\|ln(⋅)
$- 0,09 t$	=	$\ln (\frac{16}{17})$	\|: $- 0,09$
$t$	=	$- \frac{1}{0,09} \ln (\frac{16}{17})$	≈ 0.6736

also t=0.7

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,5% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 8 Jahren, wenn jedes Jahr 0,7 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 59 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 - 0.015⋅f(t)

wenn man 0.015 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.015( $\frac{0.7}{0.015}$ - f(t))

also f'(t) = 0.015(46.67 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=46.67 und der Wachstumsfaktor k=0.015 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $46,67 - c \cdot e^{- 0,015 t}$ haben.

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

$80$	=	$46,67 - c \cdot e^{- 0,015 \cdot 0}$
$80$	=	$46,67 - c$
$80$	=	$- c + 46,67$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 33,33$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $46,67 + 33,33 e^{- 0,015 x}$

Wert zur Zeit 8: f(8)= $46,67 + 33,33 e^{- 0,015 \cdot 8}$ ≈ 76.2

Wann wird der Wert 59?: f(t)=59

46,67 + 33,33 e^{- 0,015 t}

=

59

$33,33 e^{- 0,015 t} + 46,67$	=	$59$	\| $- 46,67$
$33,33 e^{- 0,015 t}$	=	$12,33$	\|: $33,33$
$e^{- 0,015 t}$	=	$0,3699$	\|ln(⋅)
$- 0,015 t$	=	$\ln (0,3699)$	\|: $- 0,015$
$t$	=	$- \frac{1}{0,015} \ln (0,3699)$	≈ 66.3015

also t=66.3

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $10 e^{- 0,07 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,07$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,07$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,07}$ ≈ 9.902 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.