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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 95 dB? b) Wie viel dB misst man bei einem Schalldruck von 17 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 95: f(95)= $0,00002 e^{0,1151 \cdot 95}$ ≈ 1.1

Wann wird der Wert 17?: f(t)=17

$0,00002 e^{0,1151 t}$	=	$17$	\|: $0,00002$
$e^{0,1151 t}$	=	$850 000$	\|ln(⋅)
$0,1151 t$	=	$\ln (850 000)$	\|: $0,1151$
$t$	=	$\frac{1}{0,1151} \ln (850 000)$	≈ 118.6185

also t=118.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 20 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 14-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 33 Jahren (in Tausend Euro)? b) Wann ist das Vermögen auf 35-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 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 Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{20}$ ≈ 0.034657359027997

=> f(t)= $14 e^{0,0347 t}$

Wert zur Zeit 33: f(33)= $14 e^{0,0347 \cdot 33}$ ≈ 43.9

Wann wird der Wert 35?: f(t)=35

$14 e^{0,0347 t}$	=	$35$	\|: $14$
$e^{0,0347 t}$	=	$\frac{5}{2}$	\|ln(⋅)
$0,0347 t$	=	$\ln (\frac{5}{2})$	\|: $0,0347$
$t$	=	$\frac{1}{0,0347} \ln (\frac{5}{2})$	≈ 26.4388

also t=26.4

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 11% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 16 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 4 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 7 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 16 ist, gilt: f(0)= 16, also 16 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $16 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.89) ≈ -0.11653381625595

=> f(t)= $16 e^{- 0,1165 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $16 e^{- 0,1165 \cdot 4}$ ≈ 10

Wann wird der Wert 7?: f(t)=7

$16 e^{- 0,1165 t}$	=	$7$	\|: $16$
$e^{- 0,1165 t}$	=	$\frac{7}{16}$	\|ln(⋅)
$- 0,1165 t$	=	$\ln (\frac{7}{16})$	\|: $- 0,1165$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1165} \ln (\frac{7}{16})$	≈ 7.096

also t=7.1

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 25°C wird eine Limo aus einem 8° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 2 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 8,34°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 4 Minuten? b) Wann ist sie 16°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=25 sein muss.

Da der Anfangsbestand 8 ist, gilt: f(0)= 8, also 8 = $25 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $25 - c$ = $25 - c$

$8$	=	$25 - c$
$8$	=	$- c + 25$	\| $- 8$ $+ c$
$c$	=	$17$

somit gilt: f(t)= $25 - 17 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(2)= $25 - 17 e^{- k \cdot 2}$ = 8,34.

25 - 17 e^{- 2 k}

=

8,3366

$- 17 e^{- 2 k} + 25$	=	$8,3366$	\| $- 25$
$- 17 e^{- 2 k}$	=	$- 16,6634$	\|: $- 17$
$e^{- 2 k}$	=	$0,9802$	\|ln(⋅)
$- 2 k$	=	$\ln (0,9802)$	\|: $- 2$
$k$	=	$- \frac{1}{2} \ln (0,9802)$	≈ 0.01

also k ≈ 0.009999323253345, => f(t)= $25 - 17 e^{- 0,01 t}$

Wert zur Zeit 4: f(4)= $25 - 17 e^{- 0,01 \cdot 4}$ ≈ 8.7

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

25 - 17 e^{- 0,01 t}

=

16

$- 17 e^{- 0,01 t} + 25$	=	$16$	\| $- 25$
$- 17 e^{- 0,01 t}$	=	$- 9$	\|: $- 17$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{9}{17}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{9}{17})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{9}{17})$	≈ 63.5989

also t=63.6

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 6ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 2% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 14 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 137ml 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) = 6 - 0.02⋅f(t)

wenn man 0.02 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.02( $\frac{6}{0.02}$ - f(t))

also f'(t) = 0.02(300 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=300 und der Wachstumsfaktor k=0.02 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $300 - c \cdot e^{- 0,02 t}$ haben.

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

0	=	$300 - c \cdot e^{- 0,02 \cdot 0}$
0	=	$300 - c$
0	=	$- c + 300$	\|0 $+ c$
$c$	=	$300$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $300 - 300 e^{- 0,02 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $300 - 300 e^{- 0,02 \cdot 14}$ ≈ 73.3

Wann wird der Wert 137?: f(t)=137

300 - 300 e^{- 0,02 t}

=

137

$- 300 e^{- 0,02 t} + 300$	=	$137$	\| $- 300$
$- 300 e^{- 0,02 t}$	=	$- 163$	\|: $- 300$
$e^{- 0,02 t}$	=	$\frac{163}{300}$	\|ln(⋅)
$- 0,02 t$	=	$\ln (\frac{163}{300})$	\|: $- 0,02$
$t$	=	$- \frac{1}{0,02} \ln (\frac{163}{300})$	≈ 30.5016

also t=30.5

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $13 e^{0,02 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

Lösung einblenden

Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,02$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,02$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,02}$ ≈ 34.657 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.