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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 10,562 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 11 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)= $9 e^{k \cdot 8}$ = 10,5616.

$9 e^{8 k}$	=	$10,5616$	\|: $9$
$e^{8 k}$	=	$1,1735$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,1735)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,1735)$	≈ 0.02

also k ≈ 0.019998842038618, => f(t)= $9 e^{0,02 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $9 e^{0,02 \cdot 11}$ ≈ 11.2

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

$9 e^{0,02 t}$	=	$11$	\|: $9$
$e^{0,02 t}$	=	$\frac{11}{9}$	\|ln(⋅)
$0,02 t$	=	$\ln (\frac{11}{9})$	\|: $0,02$
$t$	=	$\frac{1}{0,02} \ln (\frac{11}{9})$	≈ 10.0335

also t=10

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1149 Jahre die Zahl der Blonden halbieren. a) Wenn man davon ausgeht, dass im Jahr 2000 eine Milliarde blonde Menschen auf der Welt waren, wie viele (in Milliarden) wären es dann im Jahr 2276? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,3 Milliarden Blondies?

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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 1 ist, gilt: f(0)= 1, also 1 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1149}$ ≈ -0.00060326125375104

=> f(t)= $e^{- 0,0006 t}$

Wert zur Zeit 276: f(276)= $e^{- 0,0006 \cdot 276}$ ≈ 0.8

Wann wird der Wert 0.3?: f(t)=0.3

$e^{- 0,0006 t}$	=	$0,3$	\|ln(⋅)
$- 0,0006 t$	=	$\ln (0,3)$	\|: $- 0,0006$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0006} \ln (0,3)$	≈ 1996.6381

also t=1996.6

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 8% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 68% 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(0.92) ≈ -0.083381608939051

=> f(t)= $100 e^{- 0,0834 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $100 e^{- 0,0834 \cdot 2}$ ≈ 84.6

Wann wird der Wert 68?: f(t)=68

$100 e^{- 0,0834 t}$	=	$68$	\|: $100$
$e^{- 0,0834 t}$	=	$\frac{17}{25}$	\|ln(⋅)
$- 0,0834 t$	=	$\ln (\frac{17}{25})$	\|: $- 0,0834$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0834} \ln (\frac{17}{25})$	≈ 4.6243

also t=4.6

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 29°C wird eine Limo aus einem 9° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 3 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 10,16°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 5 Minuten? b) Wann ist sie 11°C warm?

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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=29 sein muss.

Da der Anfangsbestand 9 ist, gilt: f(0)= 9, also 9 = $29 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $29 - c$ = $29 - c$

$9$	=	$29 - c$
$9$	=	$- c + 29$	\| $- 9$ $+ c$
$c$	=	$20$

somit gilt: f(t)= $29 - 20 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $29 - 20 e^{- k \cdot 3}$ = 10,16.

29 - 20 e^{- 3 k}

=

10,1647

$- 20 e^{- 3 k} + 29$	=	$10,1647$	\| $- 29$
$- 20 e^{- 3 k}$	=	$- 18,8353$	\|: $- 20$
$e^{- 3 k}$	=	$0,9418$	\|ln(⋅)
$- 3 k$	=	$\ln (0,9418)$	\|: $- 3$
$k$	=	$- \frac{1}{3} \ln (0,9418)$	≈ 0.02

also k ≈ 0.019987447057561, => f(t)= $29 - 20 e^{- 0,02 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $29 - 20 e^{- 0,02 \cdot 5}$ ≈ 10.9

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

29 - 20 e^{- 0,02 t}

=

11

$- 20 e^{- 0,02 t} + 29$	=	$11$	\| $- 29$
$- 20 e^{- 0,02 t}$	=	$- 18$	\|: $- 20$
$e^{- 0,02 t}$	=	$\frac{9}{10}$	\|ln(⋅)
$- 0,02 t$	=	$\ln (\frac{9}{10})$	\|: $- 0,02$
$t$	=	$- \frac{1}{0,02} \ln (\frac{9}{10})$	≈ 5.268

also t=5.3

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 5% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2740 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 90 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 5 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2091 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) = 90 - 0.05⋅f(t)

wenn man 0.05 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.05( $\frac{90}{0.05}$ - f(t))

also f'(t) = 0.05(1800 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=1800 und der Wachstumsfaktor k=0.05 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $1 800 - c \cdot e^{- 0,05 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2740 ein (Punktprobe).

$2 740$	=	$1 800 - c \cdot e^{- 0,05 \cdot 0}$
$2 740$	=	$1 800 - c$
$2 740$	=	$- c + 1 800$	\| $- 2 740$ $+ c$
$c$	=	$- 940$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $1 800 + 940 e^{- 0,05 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $1 800 + 940 e^{- 0,05 \cdot 5}$ ≈ 2532.1

Wann wird der Wert 2091?: f(t)=2091

1 800 + 940 e^{- 0,05 t}

=

2 091

$940 e^{- 0,05 t} + 1 800$	=	$2 091$	\| $- 1 800$
$940 e^{- 0,05 t}$	=	$291$	\|: $940$
$e^{- 0,05 t}$	=	$\frac{291}{940}$	\|ln(⋅)
$- 0,05 t$	=	$\ln (\frac{291}{940})$	\|: $- 0,05$
$t$	=	$- \frac{1}{0,05} \ln (\frac{291}{940})$	≈ 23.4511

also t=23.5

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $11 e^{- 0,08 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,08$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,08$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,08}$ ≈ 8.664 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.