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 5 Millionen Algen im Teich. Nach 5 Stunden sind es 5,809 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 7 Stunden? b) Wann waren es 6 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 5 ist, gilt: f(0)= 5, also 5 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $5 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(5)= $5 e^{k \cdot 5}$ = 5,8092.

$5 e^{5 k}$	=	$5,8092$	\|: $5$
$e^{5 k}$	=	$1,1618$	\|ln(⋅)
$5 k$	=	$\ln (1,1618)$	\|: $5$
$k$	=	$\frac{1}{5} \ln (1,1618)$	≈ 0.03

also k ≈ 0.029994105315259, => f(t)= $5 e^{0,03 t}$

Wert zur Zeit 7: f(7)= $5 e^{0,03 \cdot 7}$ ≈ 6.2

Wann wird der Wert 6?: f(t)=6

$5 e^{0,03 t}$	=	$6$	\|: $5$
$e^{0,03 t}$	=	$\frac{6}{5}$	\|ln(⋅)
$0,03 t$	=	$\ln (\frac{6}{5})$	\|: $0,03$
$t$	=	$\frac{1}{0,03} \ln (\frac{6}{5})$	≈ 6.0774

also t=6.1

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Ein Finanzberater bewirbt eine Geldanlage, bei der sich das Geld immer alle 12 Jahre verdoppelt. Herr Q. legt 8-Tausend € an. a) Wie hoch ist das Vermögen nach 27 Jahren (in Tausend Euro)? b) Wann ist das Vermögen auf 11,43-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 8 ist, gilt: f(0)= 8, also 8 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $8 e^{k \cdot t}$ , 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= $\frac{ln(2)}{T}$ = $\frac{ln(2)}{12}$ ≈ 0.057762265046662

=> f(t)= $8 e^{0,0578 t}$

Wert zur Zeit 27: f(27)= $8 e^{0,0578 \cdot 27}$ ≈ 38.1

Wann wird der Wert 11.43?: f(t)=11.43

$8 e^{0,0578 t}$	=	$11,43$	\|: $8$
$e^{0,0578 t}$	=	$1,4288$	\|ln(⋅)
$0,0578 t$	=	$\ln (1,4288)$	\|: $0,0578$
$t$	=	$\frac{1}{0,0578} \ln (1,4288)$	≈ 6.1777

also t=6.2

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 7% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 4 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 5 Stunden? b) Wann sind es 5 Millarden?

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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 4 ist, gilt: f(0)= 4, also 4 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $4 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.07) ≈ 0.067658648473815

=> f(t)= $4 e^{0,0677 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $4 e^{0,0677 \cdot 5}$ ≈ 5.6

Wann wird der Wert 5?: f(t)=5

$4 e^{0,0677 t}$	=	$5$	\|: $4$
$e^{0,0677 t}$	=	$\frac{5}{4}$	\|ln(⋅)
$0,0677 t$	=	$\ln (\frac{5}{4})$	\|: $0,0677$
$t$	=	$\frac{1}{0,0677} \ln (\frac{5}{4})$	≈ 3.2961

also t=3.3

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 30 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)= $37 - 20 e^{- k \cdot 0,5}$ = 30.

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

=

29,9998

$- 20 e^{- 0,5 k} + 37$	=	$29,9998$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 0,5 k}$	=	$- 7,0002$	\|: $- 20$
$e^{- 0,5 k}$	=	$0,35$	\|ln(⋅)
$- 0,5 k$	=	$\ln (0,35)$	\|: $- 0,5$
$k$	=	$- \frac{1}{0,5} \ln (0,35)$	≈ 2.0996

also k ≈ 2.0996442489974, => f(t)= $37 - 20 e^{- 2,0996 t}$

Wert zur Zeit 2.5: f(2.5)= $37 - 20 e^{- 2,0996 \cdot 2,5}$ ≈ 36.9

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

37 - 20 e^{- 2,0996 t}

=

36,9

$- 20 e^{- 2,0996 t} + 37$	=	$36,9$	\| $- 37$
$- 20 e^{- 2,0996 t}$	=	$- 0,1$	\|: $- 20$
$e^{- 2,0996 t}$	=	$0,005$	\|ln(⋅)
$- 2,0996 t$	=	$\ln (0,005)$	\|: $- 2,0996$
$t$	=	$- \frac{1}{2,0996} \ln (0,005)$	≈ 2.5235

also t=2.5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 1% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2528 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 85 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 5 Monaten? b) Wann beträgt dieser 5258 Wörter ?

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) = 85 - 0.01⋅f(t)

wenn man 0.01 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.01( $\frac{85}{0.01}$ - f(t))

also f'(t) = 0.01(8500 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=8500 und der Wachstumsfaktor k=0.01 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $8 500 - c \cdot e^{- 0,01 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2528 ein (Punktprobe).

$2 528$	=	$8 500 - c \cdot e^{- 0,01 \cdot 0}$
$2 528$	=	$8 500 - c$
$2 528$	=	$- c + 8 500$	\| $- 2 528$ $+ c$
$c$	=	$5 972$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $8 500 - 5 972 e^{- 0,01 x}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $8 500 - 5 972 e^{- 0,01 \cdot 5}$ ≈ 2819.3

Wann wird der Wert 5258?: f(t)=5258

8 500 - 5 972 e^{- 0,01 t}

=

5 258

$- 5 972 e^{- 0,01 t} + 8 500$	=	$5 258$	\| $- 8 500$
$- 5 972 e^{- 0,01 t}$	=	$- 3 242$	\|: $- 5 972$
$e^{- 0,01 t}$	=	$\frac{1621}{2986}$	\|ln(⋅)
$- 0,01 t$	=	$\ln (\frac{1621}{2986})$	\|: $- 0,01$
$t$	=	$- \frac{1}{0,01} \ln (\frac{1621}{2986})$	≈ 61.0891

also t=61.1

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $19 e^{0,06 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am postiven Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $0,06$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentielles Wachstum handeln muss. Somit suchen wir die Verdopplungszeit.

Dazu setzen wir k = $0,06$ einfach in die Formel T_V = $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_V = $\frac{ln(2)}{0,06}$ ≈ 11.552 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.