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Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beginn der Beobachtung 13g vorhanden. Nach 10 Tagen sind nur noch 10,643g übrig. a) Wie viel g sind noch nach 13 Tagen da? b) Wann sind nur noch 10g davon übrig?

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 13 ist, gilt: f(0)= 13, also 13 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $13 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(10)= $13 e^{k \cdot 10}$ = 10,6435.

$13 e^{10 k}$	=	$10,6435$	\|: $13$
$e^{10 k}$	=	$0,8187$	\|ln(⋅)
$10 k$	=	$\ln (0,8187)$	\|: $10$
$k$	=	$\frac{1}{10} \ln (0,8187)$	≈ -0.02

also k ≈ -0.020003756259973, => f(t)= $13 e^{- 0,02 t}$

Wert zur Zeit 13: f(13)= $13 e^{- 0,02 \cdot 13}$ ≈ 10

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

$13 e^{- 0,02 t}$	=	$10$	\|: $13$
$e^{- 0,02 t}$	=	$\frac{10}{13}$	\|ln(⋅)
$- 0,02 t$	=	$\ln (\frac{10}{13})$	\|: $- 0,02$
$t$	=	$- \frac{1}{0,02} \ln (\frac{10}{13})$	≈ 13.1182

also t=13.1

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 480 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 11g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 1270 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 4,4g 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 11 ist, gilt: f(0)= 11, also 11 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $11 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{480}$ ≈ -0.0014440566261666

=> f(t)= $11 e^{- 0,0014 t}$

Wert zur Zeit 1270: f(1270)= $11 e^{- 0,0014 \cdot 1270}$ ≈ 1.8

Wann wird der Wert 4.4?: f(t)=4.4

$11 e^{- 0,0014 t}$	=	$4,4$	\|: $11$
$e^{- 0,0014 t}$	=	$0,4$	\|ln(⋅)
$- 0,0014 t$	=	$\ln (0,4)$	\|: $- 0,0014$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0014} \ln (0,4)$	≈ 634.5504

also t=634.6

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 8% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 17 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 3 Stunden? b) Wann sind es 25 Millarden?

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 nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.08) ≈ 0.076961041136128

=> f(t)= $17 e^{0,077 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $17 e^{0,077 \cdot 3}$ ≈ 21.4

Wann wird der Wert 25?: f(t)=25

$17 e^{0,077 t}$	=	$25$	\|: $17$
$e^{0,077 t}$	=	$\frac{25}{17}$	\|ln(⋅)
$0,077 t$	=	$\ln (\frac{25}{17})$	\|: $0,077$
$t$	=	$\frac{1}{0,077} \ln (\frac{25}{17})$	≈ 5.0086

also t=5

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 26°C wird eine Limo aus einem 5° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 5 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 7°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 7 Minuten? b) Wann ist sie 10°C warm?

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=26 sein muss.

Da der Anfangsbestand 5 ist, gilt: f(0)= 5, also 5 = $26 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $26 - c$ = $26 - c$

$5$	=	$26 - c$
$5$	=	$- c + 26$	\| $- 5$ $+ c$
$c$	=	$21$

somit gilt: f(t)= $26 - 21 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $26 - 21 e^{- k \cdot 5}$ = 7.

26 - 21 e^{- 5 k}

=

6,9984

$- 21 e^{- 5 k} + 26$	=	$6,9984$	\| $- 26$
$- 21 e^{- 5 k}$	=	$- 19,0016$	\|: $- 21$
$e^{- 5 k}$	=	$0,9048$	\|ln(⋅)
$- 5 k$	=	$\ln (0,9048)$	\|: $- 5$
$k$	=	$- \frac{1}{5} \ln (0,9048)$	≈ 0.02

also k ≈ 0.020008270836045, => f(t)= $26 - 21 e^{- 0,02 t}$

Wert zur Zeit 7: f(7)= $26 - 21 e^{- 0,02 \cdot 7}$ ≈ 7.7

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

26 - 21 e^{- 0,02 t}

=

10

$- 21 e^{- 0,02 t} + 26$	=	$10$	\| $- 26$
$- 21 e^{- 0,02 t}$	=	$- 16$	\|: $- 21$
$e^{- 0,02 t}$	=	$\frac{16}{21}$	\|ln(⋅)
$- 0,02 t$	=	$\ln (\frac{16}{21})$	\|: $- 0,02$
$t$	=	$- \frac{1}{0,02} \ln (\frac{16}{21})$	≈ 13.5967

also t=13.6

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 5 Jahren, wenn jedes Jahr 0,6 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 47 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 5: f(5)= $42,86 + 37,14 e^{- 0,014 \cdot 5}$ ≈ 77.5

Wann wird der Wert 47?: f(t)=47

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

=

47

$37,14 e^{- 0,014 t} + 42,86$	=	$47$	\| $- 42,86$
$37,14 e^{- 0,014 t}$	=	$4,14$	\|: $37,14$
$e^{- 0,014 t}$	=	$0,1115$	\|ln(⋅)
$- 0,014 t$	=	$\ln (0,1115)$	\|: $- 0,014$
$t$	=	$- \frac{1}{0,014} \ln (0,1115)$	≈ 156.695

also t=156.7

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $6 e^{- 0,05 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,05$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,05$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,05}$ ≈ 13.863 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.