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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 19 Millionen Algen im Teich. Nach 8 Stunden sind es 30,705 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 11 Stunden? b) Wann waren es 25 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 19 ist, gilt: f(0)= 19, also 19 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $19 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $19 e^{k \cdot 8}$ = 30,7054.

$19 e^{8 k}$	=	$30,7054$	\|: $19$
$e^{8 k}$	=	$1,6161$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,6161)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,6161)$	≈ 0.06

also k ≈ 0.060001979921558, => f(t)= $19 e^{0,06 t}$

Wert zur Zeit 11: f(11)= $19 e^{0,06 \cdot 11}$ ≈ 36.8

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

$19 e^{0,06 t}$	=	$25$	\|: $19$
$e^{0,06 t}$	=	$\frac{25}{19}$	\|ln(⋅)
$0,06 t$	=	$\ln (\frac{25}{19})$	\|: $0,06$
$t$	=	$\frac{1}{0,06} \ln (\frac{25}{19})$	≈ 4.5739

also t=4.6

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1752 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 2203? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,8 Milliarden Blondies?

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 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1752}$ ≈ -0.0003956319523744

=> f(t)= $e^{- 0,0004 t}$

Wert zur Zeit 203: f(203)= $e^{- 0,0004 \cdot 203}$ ≈ 0.9

Wann wird der Wert 0.8?: f(t)=0.8

$e^{- 0,0004 t}$	=	$0,8$	\|ln(⋅)
$- 0,0004 t$	=	$\ln (0,8)$	\|: $- 0,0004$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0004} \ln (0,8)$	≈ 563.4938

also t=563.5

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 16% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 20 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 3 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 10 Lux?

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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 20 ist, gilt: f(0)= 20, also 20 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

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

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.84) ≈ -0.17435338714478

=> f(t)= $20 e^{- 0,1744 t}$

Wert zur Zeit 3: f(3)= $20 e^{- 0,1744 \cdot 3}$ ≈ 11.9

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

$20 e^{- 0,1744 t}$	=	$10$	\|: $20$
$e^{- 0,1744 t}$	=	$\frac{1}{2}$	\|ln(⋅)
$- 0,1744 t$	=	$\ln (\frac{1}{2})$	\|: $- 0,1744$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1744} \ln (\frac{1}{2})$	≈ 3.9745

also t=4

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

An einem wunderschönen Sommertag mit 25°C wird eine Limo aus einem 7° C kalten Kühlschrank geholt. Nach 3 Minuten beträgt die Temperatur der Limo bereits 9,97°.a) Welche Temeratur hat die Limonade nach 5 Minuten? b) Wann ist sie 21°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 7 ist, gilt: f(0)= 7, also 7 = $25 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $25 - c$ = $25 - c$

$7$	=	$25 - c$
$7$	=	$- c + 25$	\| $- 7$ $+ c$
$c$	=	$18$

somit gilt: f(t)= $25 - 18 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $25 - 18 e^{- k \cdot 3}$ = 9,97.

25 - 18 e^{- 3 k}

=

9,9651

$- 18 e^{- 3 k} + 25$	=	$9,9651$	\| $- 25$
$- 18 e^{- 3 k}$	=	$- 15,0349$	\|: $- 18$
$e^{- 3 k}$	=	$0,8353$	\|ln(⋅)
$- 3 k$	=	$\ln (0,8353)$	\|: $- 3$
$k$	=	$- \frac{1}{3} \ln (0,8353)$	≈ 0.06

also k ≈ 0.059988112406759, => f(t)= $25 - 18 e^{- 0,06 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $25 - 18 e^{- 0,06 \cdot 5}$ ≈ 11.7

Wann wird der Wert 21?: f(t)=21

25 - 18 e^{- 0,06 t}

=

21

$- 18 e^{- 0,06 t} + 25$	=	$21$	\| $- 25$
$- 18 e^{- 0,06 t}$	=	$- 4$	\|: $- 18$
$e^{- 0,06 t}$	=	$\frac{2}{9}$	\|ln(⋅)
$- 0,06 t$	=	$\ln (\frac{2}{9})$	\|: $- 0,06$
$t$	=	$- \frac{1}{0,06} \ln (\frac{2}{9})$	≈ 25.068

also t=25.1

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Ein Patient bekommt über eine Infusion jede Minute 2ml eines Wirkstoff ins Blut verabreicht. Gleichzeitig baut sein Körper jede Minute 10% des Wirkstoffs wieder ab. a) Wie viel Wirkstoff ist 5 Minuten nach dem erstmaligen Anlegen der Infusion in seinem Blut. b) Wann sind 17ml 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) = 2 - 0.1⋅f(t)

wenn man 0.1 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.1( $\frac{2}{0.1}$ - f(t))

also f'(t) = 0.1(20 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=20 und der Wachstumsfaktor k=0.1 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $20 - c \cdot e^{- 0,1 t}$ haben.

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

0	=	$20 - c \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$
0	=	$20 - c$
0	=	$- c + 20$	\|0 $+ c$
$c$	=	$20$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $20 - 20 e^{- 0,1 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 - 20 e^{- 0,1 \cdot 5}$ ≈ 7.9

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

20 - 20 e^{- 0,1 t}

=

17

$- 20 e^{- 0,1 t} + 20$	=	$17$	\| $- 20$
$- 20 e^{- 0,1 t}$	=	$- 3$	\|: $- 20$
$e^{- 0,1 t}$	=	$\frac{3}{20}$	\|ln(⋅)
$- 0,1 t$	=	$\ln (\frac{3}{20})$	\|: $- 0,1$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1} \ln (\frac{3}{20})$	≈ 18.9712

also t=19

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $3 e^{- 0,03 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,03$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,03$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,03}$ ≈ 23.105 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.