Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Exponentielles Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Das Wachstum einer Algenkultur in einem Teich kann als exponentiell angenommen werden. Zu Beginn der Beobachtung sind 15 Millionen Algen im Teich. Nach 8 Stunden sind es 16,249 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 10 Stunden? b) Wann waren es 16 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 15 ist, gilt: f(0)= 15, also 15 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $15 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(8)= $15 e^{k \cdot 8}$ = 16,2493.

$15 e^{8 k}$	=	$16,2493$	\|: $15$
$e^{8 k}$	=	$1,0833$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,0833)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,0833)$	≈ 0.01

also k ≈ 0.010001492246173, => f(t)= $15 e^{0,01 t}$

Wert zur Zeit 10: f(10)= $15 e^{0,01 \cdot 10}$ ≈ 16.6

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

$15 e^{0,01 t}$	=	$16$	\|: $15$
$e^{0,01 t}$	=	$\frac{16}{15}$	\|ln(⋅)
$0,01 t$	=	$\ln (\frac{16}{15})$	\|: $0,01$
$t$	=	$\frac{1}{0,01} \ln (\frac{16}{15})$	≈ 6.4539

also t=6.5

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 493 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 19g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 430 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 13,3g 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 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.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel T_H= $\frac{-ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{493}$ ≈ -0.0014059780538741

=> f(t)= $19 e^{- 0,0014 t}$

Wert zur Zeit 430: f(430)= $19 e^{- 0,0014 \cdot 430}$ ≈ 10.4

Wann wird der Wert 13.3?: f(t)=13.3

$19 e^{- 0,0014 t}$	=	$13,3$	\|: $19$
$e^{- 0,0014 t}$	=	$0,7$	\|ln(⋅)
$- 0,0014 t$	=	$\ln (0,7)$	\|: $- 0,0014$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0014} \ln (0,7)$	≈ 253.6806

also t=253.7

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Ein radioaktives Element verliert jeden Tag 3% seiner Masse. a) Wie viel Prozent seiner Masse sind nach 2 Tagen noch vorhanden. b) Wann sind noch 91% 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(0.97) ≈ -0.030459207484709

=> f(t)= $100 e^{- 0,0305 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $100 e^{- 0,0305 \cdot 2}$ ≈ 94.1

Wann wird der Wert 91?: f(t)=91

$100 e^{- 0,0305 t}$	=	$91$	\|: $100$
$e^{- 0,0305 t}$	=	$\frac{91}{100}$	\|ln(⋅)
$- 0,0305 t$	=	$\ln (\frac{91}{100})$	\|: $- 0,0305$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0305} \ln (\frac{91}{100})$	≈ 3.0922

also t=3.1

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Die Körpertemperatur eines Menschen wird mit dem Fieberthermometer gemessen. Dabei ist die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Thermometers steigt, proportional zur Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und der des Thermometers. Bei der Untersuchung eines gesunden Menschen, dessen Körpertemperatur 37,0 Grad beträgt, steigt die Anzeige des Thermometers in der ersten halben Minute von 17,0 Grad auf 29 Grad an. a) Welche Temperatur zeigt das Thermometer nach 2,5 Minuten an? b) Wann zeigt es 36,9° an?

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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=37 sein muss.

Da der Anfangsbestand 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $37 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $37 - c$ = $37 - c$

$17$	=	$37 - c$
$17$	=	$- c + 37$	\| $- 17$ $+ c$
$c$	=	$20$

somit gilt: f(t)= $37 - 20 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(0.5)= $37 - 20 e^{- k \cdot 0,5}$ = 29.

37 - 20 e^{- 0,5 k}

=

29,0001

$- 20 e^{- 0,5 k} + 37$	=	$29,0001$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 0,5 k}$	=	$- 7,9999$	\|: $- 20$
$e^{- 0,5 k}$	=	$0,4$	\|ln(⋅)
$- 0,5 k$	=	$\ln (0,4)$	\|: $- 0,5$
$k$	=	$- \frac{1}{0,5} \ln (0,4)$	≈ 1.8326

also k ≈ 1.8325814637483, => f(t)= $37 - 20 e^{- 1,8326 t}$

Wert zur Zeit 2.5: f(2.5)= $37 - 20 e^{- 1,8326 \cdot 2,5}$ ≈ 36.8

Wann wird der Wert 36.9?: f(t)=36.9

37 - 20 e^{- 1,8326 t}

=

36,9

$- 20 e^{- 1,8326 t} + 37$	=	$36,9$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 1,8326 t}$	=	$- 0,1$	\|: $- 20$
$e^{- 1,8326 t}$	=	$0,005$	\|ln(⋅)
$- 1,8326 t$	=	$\ln (0,005)$	\|: $- 1,8326$
$t$	=	$- \frac{1}{1,8326} \ln (0,005)$	≈ 2.8911

also t=2.9

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Deutschland hat derzeit ca. 80 Millionen Einwohner. Aufgrund der niedrigen Geburtenrate deutscher Frauen verliert das Land jedes Jahr 1,5% seiner Bevölkerung. Durch Zuwanderung könnte dieser Bevölkerungsrückgang abgemildert werden. a) Wie viel Millionen Menschen gäbe es in 13 Jahren, wenn jedes Jahr 0,3 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) = 0.3 - 0.015⋅f(t)

wenn man 0.015 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.015( $\frac{0.3}{0.015}$ - f(t))

also f'(t) = 0.015(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=0.015 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $20 - c \cdot e^{- 0,015 t}$ haben.

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

$80$	=	$20 - c \cdot e^{- 0,015 \cdot 0}$
$80$	=	$20 - c$
$80$	=	$- c + 20$	\| $- 80$ $+ c$
$c$	=	$- 60$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $20 + 60 e^{- 0,015 x}$

Wert zur Zeit 13: f(13)= $20 + 60 e^{- 0,015 \cdot 13}$ ≈ 69.4

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

20 + 60 e^{- 0,015 t}

=

47

$60 e^{- 0,015 t} + 20$	=	$47$	\| $- 20$
$60 e^{- 0,015 t}$	=	$27$	\|: $60$
$e^{- 0,015 t}$	=	$\frac{9}{20}$	\|ln(⋅)
$- 0,015 t$	=	$\ln (\frac{9}{20})$	\|: $- 0,015$
$t$	=	$- \frac{1}{0,015} \ln (\frac{9}{20})$	≈ 53.2338

also t=53.2

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $15 e^{- 0,08 t}$ (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

Aufgabenbeispiele von Wachstum

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.