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 3 Millionen Algen im Teich. Nach 10 Stunden sind es 4,946 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 13 Stunden? b) Wann waren es 4 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 3 ist, gilt: f(0)= 3, also 3 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $3 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(10)= $3 e^{k \cdot 10}$ = 4,9462.

$3 e^{10 k}$	=	$4,9462$	\|: $3$
$e^{10 k}$	=	$1,6487$	\|ln(⋅)
$10 k$	=	$\ln (1,6487)$	\|: $10$
$k$	=	$\frac{1}{10} \ln (1,6487)$	≈ 0.05

also k ≈ 0.0499987098585, => f(t)= $3 e^{0,05 t}$

Wert zur Zeit 13: f(13)= $3 e^{0,05 \cdot 13}$ ≈ 5.7

Wann wird der Wert 4?: f(t)=4

$3 e^{0,05 t}$	=	$4$	\|: $3$
$e^{0,05 t}$	=	$\frac{4}{3}$	\|ln(⋅)
$0,05 t$	=	$\ln (\frac{4}{3})$	\|: $0,05$
$t$	=	$\frac{1}{0,05} \ln (\frac{4}{3})$	≈ 5.7536

also t=5.8

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 85 Db? b) Wie hoch ist der Schalldruckpegel in Db wenn der Schalldruck 56 Pa beträgt?

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.

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 85: f(85)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 85}$ ≈ 0.4

Wann wird der Wert 56?: f(t)=56

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$56$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$2 800 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (2 800 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (2 800 000)$	≈ 128.93

also t=128.9

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 15% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 12 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 3 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 3 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 12 ist, gilt: f(0)= 12, also 12 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $12 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.85) ≈ -0.16251892949777

=> f(t)= $12 e^{- 0,1625 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $12 e^{- 0,1625 \cdot 3}$ ≈ 7.4

Wann wird der Wert 3?: f(t)=3

$12 e^{- 0,1625 t}$	=	$3$	\|: $12$
$e^{- 0,1625 t}$	=	$\frac{1}{4}$	\|ln(⋅)
$- 0,1625 t$	=	$\ln (\frac{1}{4})$	\|: $- 0,1625$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1625} \ln (\frac{1}{4})$	≈ 8.531

also t=8.5

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 58° erhitzt hat. Nach 2 min ist das Wasser auf 53° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 1 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 58 ist, gilt: f(0)= 58, also 58 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$58$	=	$20 - c$
$58$	=	$- c + 20$	\| $- 58$ $+ c$
$c$	=	$- 38$

somit gilt: f(t)= $20 + 38 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $20 + 38 e^{- k \cdot 2}$ = 53.

20 + 38 e^{- 2 k}

=

53,0026

$38 e^{- 2 k} + 20$	=	$53,0026$	\| $- 20$
$38 e^{- 2 k}$	=	$33,0026$	\|: $38$
$e^{- 2 k}$	=	$0,8685$	\|ln(⋅)
$- 2 k$	=	$\ln (0,8685)$	\|: $- 2$
$k$	=	$- \frac{1}{2} \ln (0,8685)$	≈ 0.0705

also k ≈ 0.070493846650489, => f(t)= $20 + 38 e^{- 0,0705 t}$

Wert zur Zeit 1: f(1)= $20 + 38 e^{- 0,0705 \cdot 1}$ ≈ 55.4

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

20 + 38 e^{- 0,0705 t}

=

50

$38 e^{- 0,0705 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$38 e^{- 0,0705 t}$	=	$30$	\|: $38$
$e^{- 0,0705 t}$	=	$\frac{15}{19}$	\|ln(⋅)
$- 0,0705 t$	=	$\ln (\frac{15}{19})$	\|: $- 0,0705$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0705} \ln (\frac{15}{19})$	≈ 3.353

also t=3.4

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,4% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 10 Jahren, wenn jedes Jahr 0,6 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 60 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) = 0.6 - 0.014⋅f(t)

wenn man 0.014 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.014( $\frac{0.6}{0.014}$ - f(t))

also f'(t) = 0.014(42.86 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=42.86 und der Wachstumsfaktor k=0.014 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $42,86 - c \cdot e^{- 0,014 t}$ haben.

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

$80$	=	$42,86 - c \cdot e^{- 0,014 \cdot 0}$
$80$	=	$42,86 - c$
$80$	=	$- c + 42,86$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 37,14$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $42,86 + 37,14 e^{- 0,014 x}$

Wert zur Zeit 10: f(10)= $42,86 + 37,14 e^{- 0,014 \cdot 10}$ ≈ 75.1

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

42,86 + 37,14 e^{- 0,014 t}

=

60

$37,14 e^{- 0,014 t} + 42,86$	=	$60$	\| $- 42,86$
$37,14 e^{- 0,014 t}$	=	$17,14$	\|: $37,14$
$e^{- 0,014 t}$	=	$0,4615$	\|ln(⋅)
$- 0,014 t$	=	$\ln (0,4615)$	\|: $- 0,014$
$t$	=	$- \frac{1}{0,014} \ln (0,4615)$	≈ 55.2338

also t=55.2

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $13 e^{- 0,07 t}$ (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.