Mathebattle EduRandomtasks

Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Das Wachstum einer Algenkultur in einem Teich kann als exponentiell angenommen werden. Zu Beginn der Beobachtung sind 8 Millionen Algen im Teich. Nach 3 Stunden sind es 8,753 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 6 Stunden? b) Wann waren es 9 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 8 ist, gilt: f(0)= 8, also 8 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $8 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $8 e^{k \cdot 3}$ = 8,7534.

$8 e^{3 k}$	=	$8,7534$	\|: $8$
$e^{3 k}$	=	$1,0942$	\|ln(⋅)
$3 k$	=	$\ln (1,0942)$	\|: $3$
$k$	=	$\frac{1}{3} \ln (1,0942)$	≈ 0.03

also k ≈ 0.030007834215863, => f(t)= $8 e^{0,03 t}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $8 e^{0,03 \cdot 6}$ ≈ 9.6

Wann wird der Wert 9?: f(t)=9

$8 e^{0,03 t}$	=	$9$	\|: $8$
$e^{0,03 t}$	=	$\frac{9}{8}$	\|ln(⋅)
$0,03 t$	=	$\ln (\frac{9}{8})$	\|: $0,03$
$t$	=	$\frac{1}{0,03} \ln (\frac{9}{8})$	≈ 3.9261

also t=3.9

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 12 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 19-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 29 Jahren (in Tausend Euro)? b) Wann ist das Vermögen auf 21,11-Tausend Euro gestiegen?

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 19 ist, gilt: f(0)= 19, also 19 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $19 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{12}$ ≈ 0.057762265046662

=> f(t)= $19 e^{0,0578 t}$

Wert zur Zeit 29: f(29)= $19 e^{0,0578 \cdot 29}$ ≈ 101.4

Wann wird der Wert 21.11?: f(t)=21.11

$19 e^{0,0578 t}$	=	$21,11$	\|: $19$
$e^{0,0578 t}$	=	$1,1111$	\|ln(⋅)
$0,0578 t$	=	$\ln (1,1111)$	\|: $0,0578$
$t$	=	$\frac{1}{0,0578} \ln (1,1111)$	≈ 1.8239

also t=1.8

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 13% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 7 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 2 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 2 Lux?

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 7 ist, gilt: f(0)= 7, also 7 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $7 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.87) ≈ -0.13926206733351

=> f(t)= $7 e^{- 0,1393 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $7 e^{- 0,1393 \cdot 2}$ ≈ 5.3

Wann wird der Wert 2?: f(t)=2

$7 e^{- 0,1393 t}$	=	$2$	\|: $7$
$e^{- 0,1393 t}$	=	$\frac{2}{7}$	\|ln(⋅)
$- 0,1393 t$	=	$\ln (\frac{2}{7})$	\|: $- 0,1393$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1393} \ln (\frac{2}{7})$	≈ 8.9933

also t=9

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 63° erhitzt hat. Nach 5 min ist das Wasser auf 53,99° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 2 Minuten?b) Wie lange ist der Boiler ausgeschaltet, wenn er bei einer Wassertemperatur von 50° wieder automatisch einschaltet?

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=20 sein muss.

Da der Anfangsbestand 63 ist, gilt: f(0)= 63, also 63 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$63$	=	$20 - c$
$63$	=	$- c + 20$	\| $- 63$ $+ c$
$c$	=	$- 43$

somit gilt: f(t)= $20 + 43 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $20 + 43 e^{- k \cdot 5}$ = 53,99.

20 + 43 e^{- 5 k}

=

53,9945

$43 e^{- 5 k} + 20$	=	$53,9945$	\| $- 20$
$43 e^{- 5 k}$	=	$33,9945$	\|: $43$
$e^{- 5 k}$	=	$0,7906$	\|ln(⋅)
$- 5 k$	=	$\ln (0,7906)$	\|: $- 5$
$k$	=	$- \frac{1}{5} \ln (0,7906)$	≈ 0.047

also k ≈ 0.04699262562391, => f(t)= $20 + 43 e^{- 0,047 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $20 + 43 e^{- 0,047 \cdot 2}$ ≈ 59.1

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

20 + 43 e^{- 0,047 t}

=

50

$43 e^{- 0,047 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$43 e^{- 0,047 t}$	=	$30$	\|: $43$
$e^{- 0,047 t}$	=	$\frac{30}{43}$	\|ln(⋅)
$- 0,047 t$	=	$\ln (\frac{30}{43})$	\|: $- 0,047$
$t$	=	$- \frac{1}{0,047} \ln (\frac{30}{43})$	≈ 7.6596

also t=7.7

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 8% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2218 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 89 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 14 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2045 Wörter ?

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) = 89 - 0.08⋅f(t)

wenn man 0.08 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.08( $\frac{89}{0.08}$ - f(t))

also f'(t) = 0.08(1112.5 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=1112.5 und der Wachstumsfaktor k=0.08 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $1 112,5 - c \cdot e^{- 0,08 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2218 ein (Punktprobe).

$2 218$	=	$1 112,5 - c \cdot e^{- 0,08 \cdot 0}$
$2 218$	=	$1 112,5 - c$
$2 218$	=	$- c + 1 112,5$	\| $- 2 218$ $+ c$
$c$	=	$- 1 105,5$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $1 112,5 + 1 105,5 e^{- 0,08 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $1 112,5 + 1 105,5 e^{- 0,08 \cdot 14}$ ≈ 1473.2

Wann wird der Wert 2045?: f(t)=2045

1 112,5 + 1 105,5 e^{- 0,08 t}

=

2 045

$1 105,5 e^{- 0,08 t} + 1 112,5$	=	$2 045$	\| $- 1 112,5$
$1 105,5 e^{- 0,08 t}$	=	$932,5$	\|: $1 105,5$
$e^{- 0,08 t}$	=	$0,8435$	\|ln(⋅)
$- 0,08 t$	=	$\ln (0,8435)$	\|: $- 0,08$
$t$	=	$- \frac{1}{0,08} \ln (0,8435)$	≈ 2.1274

also t=2.1

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $9 e^{0,09 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

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.