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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 9 Millionen Algen im Teich. Nach 8 Stunden sind es 13,426 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 9 Stunden? b) Wann waren es 11 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 9 ist, gilt: f(0)= 9, also 9 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $9 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $9 e^{k \cdot 8}$ = 13,4264.

$9 e^{8 k}$	=	$13,4264$	\|: $9$
$e^{8 k}$	=	$1,4918$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,4918)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,4918)$	≈ 0.05

also k ≈ 0.049997930567366, => f(t)= $9 e^{0,05 t}$

Wert zur Zeit 9: f(9)= $9 e^{0,05 \cdot 9}$ ≈ 14.1

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

$9 e^{0,05 t}$	=	$11$	\|: $9$
$e^{0,05 t}$	=	$\frac{11}{9}$	\|ln(⋅)
$0,05 t$	=	$\ln (\frac{11}{9})$	\|: $0,05$
$t$	=	$\frac{1}{0,05} \ln (\frac{11}{9})$	≈ 4.0134

also t=4

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 72 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 71 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 72: f(72)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 72}$ ≈ 0.1

Wann wird der Wert 71?: f(t)=71

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$71$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$3 550 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (3 550 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (3 550 000)$	≈ 130.9912

also t=131

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 19% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 20 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 5 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 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 nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.81) ≈ -0.21072103131565

=> f(t)= $20 e^{- 0,2107 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 e^{- 0,2107 \cdot 5}$ ≈ 7

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

$20 e^{- 0,2107 t}$	=	$1$	\|: $20$
$e^{- 0,2107 t}$	=	$\frac{1}{20}$	\|ln(⋅)
$- 0,2107 t$	=	$\ln (\frac{1}{20})$	\|: $- 0,2107$
$t$	=	$- \frac{1}{0,2107} \ln (\frac{1}{20})$	≈ 14.218

also t=14.2

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 55° erhitzt hat. Nach 5 min ist das Wasser auf 52° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 5 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 55 ist, gilt: f(0)= 55, also 55 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$55$	=	$20 - c$
$55$	=	$- c + 20$	\| $- 55$ $+ c$
$c$	=	$- 35$

somit gilt: f(t)= $20 + 35 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $20 + 35 e^{- k \cdot 5}$ = 52.

20 + 35 e^{- 5 k}

=

52,0036

$35 e^{- 5 k} + 20$	=	$52,0036$	\| $- 20$
$35 e^{- 5 k}$	=	$32,0036$	\|: $35$
$e^{- 5 k}$	=	$0,9144$	\|ln(⋅)
$- 5 k$	=	$\ln (0,9144)$	\|: $- 5$
$k$	=	$- \frac{1}{5} \ln (0,9144)$	≈ 0.0179

also k ≈ 0.017897433300307, => f(t)= $20 + 35 e^{- 0,0179 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 + 35 e^{- 0,0179 \cdot 5}$ ≈ 52

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

20 + 35 e^{- 0,0179 t}

=

50

$35 e^{- 0,0179 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$35 e^{- 0,0179 t}$	=	$30$	\|: $35$
$e^{- 0,0179 t}$	=	$\frac{6}{7}$	\|ln(⋅)
$- 0,0179 t$	=	$\ln (\frac{6}{7})$	\|: $- 0,0179$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0179} \ln (\frac{6}{7})$	≈ 8.6118

also t=8.6

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 4% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2137 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 77 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 12 Monaten? b) Wann beträgt dieser 1961 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) = 77 - 0.04⋅f(t)

wenn man 0.04 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.04( $\frac{77}{0.04}$ - f(t))

also f'(t) = 0.04(1925 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=1925 und der Wachstumsfaktor k=0.04 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $1 925 - c \cdot e^{- 0,04 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2137 ein (Punktprobe).

$2 137$	=	$1 925 - c \cdot e^{- 0,04 \cdot 0}$
$2 137$	=	$1 925 - c$
$2 137$	=	$- c + 1 925$	\| $- 2 137$ $+ c$
$c$	=	$- 212$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $1 925 + 212 e^{- 0,04 x}$

Wert zur Zeit 12: f(12)= $1 925 + 212 e^{- 0,04 \cdot 12}$ ≈ 2056.2

Wann wird der Wert 1961?: f(t)=1961

1 925 + 212 e^{- 0,04 t}

=

1 961

$212 e^{- 0,04 t} + 1 925$	=	$1 961$	\| $- 1 925$
$212 e^{- 0,04 t}$	=	$36$	\|: $212$
$e^{- 0,04 t}$	=	$\frac{9}{53}$	\|ln(⋅)
$- 0,04 t$	=	$\ln (\frac{9}{53})$	\|: $- 0,04$
$t$	=	$- \frac{1}{0,04} \ln (\frac{9}{53})$	≈ 44.3267

also t=44.3

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $12 e^{0,05 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,05$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

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

T_V = $\frac{ln(2)}{0,05}$ ≈ 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.