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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 92 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 16 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 92: f(92)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 92}$ ≈ 0.8

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

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$16$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$800 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (800 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (800 000)$	≈ 118.0918

also t=118.1

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 45 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 14g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 99 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 5,6g 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 14 ist, gilt: f(0)= 14, also 14 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $14 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{45}$ ≈ -0.01540327067911

=> f(t)= $14 e^{- 0,0154 t}$

Wert zur Zeit 99: f(99)= $14 e^{- 0,0154 \cdot 99}$ ≈ 3

Wann wird der Wert 5.6?: f(t)=5.6

$14 e^{- 0,0154 t}$	=	$5,6$	\|: $14$
$e^{- 0,0154 t}$	=	$0,4$	\|ln(⋅)
$- 0,0154 t$	=	$\ln (0,4)$	\|: $- 0,0154$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0154} \ln (0,4)$	≈ 59.4878

also t=59.5

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 9% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 3 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 73% 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(0.91) ≈ -0.094310679471241

=> f(t)= $100 e^{- 0,0943 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $100 e^{- 0,0943 \cdot 3}$ ≈ 75.4

Wann wird der Wert 73?: f(t)=73

$100 e^{- 0,0943 t}$	=	$73$	\|: $100$
$e^{- 0,0943 t}$	=	$\frac{73}{100}$	\|ln(⋅)
$- 0,0943 t$	=	$\ln (\frac{73}{100})$	\|: $- 0,0943$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0943} \ln (\frac{73}{100})$	≈ 3.3373

also t=3.3

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 55° erhitzt hat. Nach 4 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 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(4)= $20 + 35 e^{- k \cdot 4}$ = 53.

20 + 35 e^{- 4 k}

=

53,0013

$35 e^{- 4 k} + 20$	=	$53,0013$	\| $- 20$
$35 e^{- 4 k}$	=	$33,0013$	\|: $35$
$e^{- 4 k}$	=	$0,9429$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,9429)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,9429)$	≈ 0.0147

also k ≈ 0.014698761627626, => f(t)= $20 + 35 e^{- 0,0147 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 + 35 e^{- 0,0147 \cdot 5}$ ≈ 52.5

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

20 + 35 e^{- 0,0147 t}

=

50

$35 e^{- 0,0147 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$35 e^{- 0,0147 t}$	=	$30$	\|: $35$
$e^{- 0,0147 t}$	=	$\frac{6}{7}$	\|ln(⋅)
$- 0,0147 t$	=	$\ln (\frac{6}{7})$	\|: $- 0,0147$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0147} \ln (\frac{6}{7})$	≈ 10.4864

also t=10.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 4ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 10% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 12 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 37ml davon in seinem Blut?

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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) = 4 - 0.1⋅f(t)

wenn man 0.1 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.1( $\frac{4}{0.1}$ - f(t))

also f'(t) = 0.1(40 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=40 und der Wachstumsfaktor k=0.1 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $40 - c \cdot e^{- 0,1 t}$ haben.

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

0	=	$40 - c \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$
0	=	$40 - c$
0	=	$- c + 40$	\|0 $+ c$
$c$	=	$40$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $40 - 40 e^{- 0,1 x}$

Wert zur Zeit 12: f(12)= $40 - 40 e^{- 0,1 \cdot 12}$ ≈ 28

Wann wird der Wert 37?: f(t)=37

40 - 40 e^{- 0,1 t}

=

37

$- 40 e^{- 0,1 t} + 40$	=	$37$	\| $- 40$
$- 40 e^{- 0,1 t}$	=	$- 3$	\|: $- 40$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{3}{40}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{3}{40})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{3}{40})$	≈ 25.9027

also t=25.9

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $3 e^{- 0,09 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,09$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,09$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,09}$ ≈ 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.