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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 17 Millionen Algen im Teich. Nach 5 Stunden sind es 26,661 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 7 Stunden? b) Wann waren es 29 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 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

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

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $17 e^{k \cdot 5}$ = 26,6613.

$17 e^{5 k}$	=	$26,6613$	\|: $17$
$e^{5 k}$	=	$1,5683$	\|ln(⋅)
$5 k$	=	$\ln (1,5683)$	\|: $5$
$k$	=	$\frac{1}{5} \ln (1,5683)$	≈ 0.09

also k ≈ 0.089998446031648, => f(t)= $17 e^{0,09 t}$

Wert zur Zeit 7: f(7)= $17 e^{0,09 \cdot 7}$ ≈ 31.9

Wann wird der Wert 29?: f(t)=29

$17 e^{0,09 t}$	=	$29$	\|: $17$
$e^{0,09 t}$	=	$\frac{29}{17}$	\|ln(⋅)
$0,09 t$	=	$\ln (\frac{29}{17})$	\|: $0,09$
$t$	=	$\frac{1}{0,09} \ln (\frac{29}{17})$	≈ 5.9342

also t=5.9

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 91 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 10 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 91: f(91)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 91}$ ≈ 0.7

Wann wird der Wert 10?: f(t)=10

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$10$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$500 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (500 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (500 000)$	≈ 113.9678

also t=114

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 44% 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(0.86) ≈ -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 44?: f(t)=44

$100 e^{- 0,1508 t}$	=	$44$	\|: $100$
$e^{- 0,1508 t}$	=	$\frac{11}{25}$	\|ln(⋅)
$- 0,1508 t$	=	$\ln (\frac{11}{25})$	\|: $- 0,1508$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1508} \ln (\frac{11}{25})$	≈ 5.4442

also t=5.4

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 64° erhitzt hat. Nach 5 min ist das Wasser auf 51,01° 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 64 ist, gilt: f(0)= 64, also 64 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$64$	=	$20 - c$
$64$	=	$- c + 20$	\| $- 64$ $+ c$
$c$	=	$- 44$

somit gilt: f(t)= $20 + 44 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $20 + 44 e^{- k \cdot 5}$ = 51,01.

20 + 44 e^{- 5 k}

=

51,0063

$44 e^{- 5 k} + 20$	=	$51,0063$	\| $- 20$
$44 e^{- 5 k}$	=	$31,0063$	\|: $44$
$e^{- 5 k}$	=	$0,7047$	\|ln(⋅)
$- 5 k$	=	$\ln (0,7047)$	\|: $- 5$
$k$	=	$- \frac{1}{5} \ln (0,7047)$	≈ 0.07

also k ≈ 0.069996619729832, => f(t)= $20 + 44 e^{- 0,07 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 + 44 e^{- 0,07 \cdot 5}$ ≈ 51

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

20 + 44 e^{- 0,07 t}

=

50

$44 e^{- 0,07 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$44 e^{- 0,07 t}$	=	$30$	\|: $44$
$e^{- 0,07 t}$	=	$\frac{15}{22}$	\|ln(⋅)
$- 0,07 t$	=	$\ln (\frac{15}{22})$	\|: $- 0,07$
$t$	=	$- \frac{1}{0,07} \ln (\frac{15}{22})$	≈ 5.4713

also t=5.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 1% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 3773 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 83 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 6 Monaten? b) Wann beträgt dieser 8137 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) = 83 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{83}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(8300 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=8300 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $8 300 - c \cdot e^{- 0,01 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=3773 ein (Punktprobe).

$3 773$	=	$8 300 - c \cdot e^{- 0,01 \cdot 0}$
$3 773$	=	$8 300 - c$
$3 773$	=	$- c + 8 300$	\| $- 3 773$ $+ c$
$c$	=	$4 527$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $8 300 - 4 527 e^{- 0,01 x}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $8 300 - 4 527 e^{- 0,01 \cdot 6}$ ≈ 4036.6

Wann wird der Wert 8137?: f(t)=8137

8 300 - 4 527 e^{- 0,01 t}

=

8 137

$- 4 527 e^{- 0,01 t} + 8 300$	=	$8 137$	\| $- 8 300$
$- 4 527 e^{- 0,01 t}$	=	$- 163$	\|: $- 4 527$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{163}{4527}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{163}{4527})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{163}{4527})$	≈ 332.4065

also t=332.4

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $18 e^{0,03 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,03$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,03$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,03}$ ≈ 23.105 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.