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 3 Stunden sind es 3,283 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 6 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(3)= $3 e^{k \cdot 3}$ = 3,2825.

$3 e^{3 k}$	=	$3,2825$	\|: $3$
$e^{3 k}$	=	$1,0942$	\|ln(⋅)
$3 k$	=	$\ln (1,0942)$	\|: $3$
$k$	=	$\frac{1}{3} \ln (1,0942)$	≈ 0.03

also k ≈ 0.030007834215863, => f(t)= $3 e^{0,03 t}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $3 e^{0,03 \cdot 6}$ ≈ 3.6

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

$3 e^{0,03 t}$	=	$4$	\|: $3$
$e^{0,03 t}$	=	$\frac{4}{3}$	\|ln(⋅)
$0,03 t$	=	$\ln (\frac{4}{3})$	\|: $0,03$
$t$	=	$\frac{1}{0,03} \ln (\frac{4}{3})$	≈ 9.5894

also t=9.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 16 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 13-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 29 Jahren (in Tausend Euro)? b) Wann ist das Vermögen auf 14,44-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 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.

Wir berechnen k über die Verdopplungszeit. Dazu stellen wir die Formel T_V= $\frac{ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{16}$ ≈ 0.043321698784997

=> f(t)= $13 e^{0,0433 t}$

Wert zur Zeit 29: f(29)= $13 e^{0,0433 \cdot 29}$ ≈ 45.7

Wann wird der Wert 14.44?: f(t)=14.44

$13 e^{0,0433 t}$	=	$14,44$	\|: $13$
$e^{0,0433 t}$	=	$1,1108$	\|ln(⋅)
$0,0433 t$	=	$\ln (1,1108)$	\|: $0,0433$
$t$	=	$\frac{1}{0,0433} \ln (1,1108)$	≈ 2.4256

also t=2.4

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?

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 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:

An einem wunderschönen Sommertag mit 27°C wird eine Limo aus einem 9° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 3 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 11,04°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 5 Minuten? b) Wann ist sie 14°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=27 sein muss.

Da der Anfangsbestand 9 ist, gilt: f(0)= 9, also 9 = $27 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $27 - c$ = $27 - c$

$9$	=	$27 - c$
$9$	=	$- c + 27$	\| $- 9$ $+ c$
$c$	=	$18$

somit gilt: f(t)= $27 - 18 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $27 - 18 e^{- k \cdot 3}$ = 11,04.

27 - 18 e^{- 3 k}

=

11,0354

$- 18 e^{- 3 k} + 27$	=	$11,0354$	\| $- 27$
$- 18 e^{- 3 k}$	=	$- 15,9646$	\|: $- 18$
$e^{- 3 k}$	=	$0,8869$	\|ln(⋅)
$- 3 k$	=	$\ln (0,8869)$	\|: $- 3$
$k$	=	$- \frac{1}{3} \ln (0,8869)$	≈ 0.04

also k ≈ 0.040007680866577, => f(t)= $27 - 18 e^{- 0,04 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $27 - 18 e^{- 0,04 \cdot 5}$ ≈ 12.3

Wann wird der Wert 14?: f(t)=14

27 - 18 e^{- 0,04 t}

=

14

$- 18 e^{- 0,04 t} + 27$	=	$14$	\| $- 27$
$- 18 e^{- 0,04 t}$	=	$- 13$	\|: $- 18$
$e^{- 0,04 t}$	=	$\frac{13}{18}$	\|ln(⋅)
$- 0,04 t$	=	$\ln (\frac{13}{18})$	\|: $- 0,04$
$t$	=	$- \frac{1}{0,04} \ln (\frac{13}{18})$	≈ 8.1356

also t=8.1

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 11 Jahren, wenn jedes Jahr 0,5 Millionen nach Deutschland einwandern würden. b) In wie vielen Jahren hätte Deutschland dann 56 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) = 0.5 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{0.5}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(50 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=50 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $50 - c \cdot e^{- 0,01 t}$ haben.

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

$80$	=	$50 - c \cdot e^{- 0,01 \cdot 0}$
$80$	=	$50 - c$
$80$	=	$- c + 50$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 30$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $50 + 30 e^{- 0,01 x}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $50 + 30 e^{- 0,01 \cdot 11}$ ≈ 76.9

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

50 + 30 e^{- 0,01 t}

=

56

$30 e^{- 0,01 t} + 50$	=	$56$	\| $- 50$
$30 e^{- 0,01 t}$	=	$6$	\|: $30$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{1}{5}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{1}{5})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{1}{5})$	≈ 160.9438

also t=160.9

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $3 e^{0,02 t}$ (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.