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 3 Millionen Algen im Teich. Nach 8 Stunden sind es 4,848 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 10 Stunden? b) Wann waren es 5 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(8)= $3 e^{k \cdot 8}$ = 4,8482.

$3 e^{8 k}$	=	$4,8482$	\|: $3$
$e^{8 k}$	=	$1,6161$	\|ln(⋅)
$8 k$	=	$\ln (1,6161)$	\|: $8$
$k$	=	$\frac{1}{8} \ln (1,6161)$	≈ 0.06

also k ≈ 0.060001979921558, => f(t)= $3 e^{0,06 t}$

Wert zur Zeit 10: f(10)= $3 e^{0,06 \cdot 10}$ ≈ 5.5

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

$3 e^{0,06 t}$	=	$5$	\|: $3$
$e^{0,06 t}$	=	$\frac{5}{3}$	\|ln(⋅)
$0,06 t$	=	$\ln (\frac{5}{3})$	\|: $0,06$
$t$	=	$\frac{1}{0,06} \ln (\frac{5}{3})$	≈ 8.5138

also t=8.5

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Wissenschaftler glauben herausgefunden zu haben, dass blonde Haare wegen rezessiver Vererbung aussterben. Demnach würde sich alle 1455 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 2229? b) Wie viel Jahre später (als 2000) gäbe es nur noch 0,8 Milliarden Blondies?

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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 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= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{1455}$ ≈ -0.00047638981481783

=> f(t)= $e^{- 0,0005 t}$

Wert zur Zeit 229: f(229)= $e^{- 0,0005 \cdot 229}$ ≈ 0.9

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

$e^{- 0,0005 t}$	=	$0,8$	\|ln(⋅)
$- 0,0005 t$	=	$\ln (0,8)$	\|: $- 0,0005$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0005} \ln (0,8)$	≈ 468.789

also t=468.8

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Im Pythagoras-See nimmt die Lichtstärke mit jedem Meter unter Wasser um 10% ab. An der Oberfläche leuchtet eine Lichtquelle mit 15 Lux. a) Wie hoch ist die Lichtstärke noch nach 5 Metern? b) Nach wieviel Metern ist die Lichtstärke noch 9 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 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 nutzen wir die Formel k= ln(1-p/100) = ln(0.9) ≈ -0.10536051565783

=> f(t)= $15 e^{- 0,1054 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $15 e^{- 0,1054 \cdot 5}$ ≈ 8.9

Wann wird der Wert 9?: f(t)=9

$15 e^{- 0,1054 t}$	=	$9$	\|: $15$
$e^{- 0,1054 t}$	=	$\frac{3}{5}$	\|ln(⋅)
$- 0,1054 t$	=	$\ln (\frac{3}{5})$	\|: $- 0,1054$
$t$	=	$- \frac{1}{0,1054} \ln (\frac{3}{5})$	≈ 4.8465

also t=4.8

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 57° erhitzt hat. Nach 4 min ist das Wasser auf 52° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 2 Minuten?b) Wie lange ist der Boiler ausgeschaltet, wenn er bei einer Wassertemperatur von 50° wieder automatisch einschaltet?

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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=20 sein muss.

Da der Anfangsbestand 57 ist, gilt: f(0)= 57, also 57 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$57$	=	$20 - c$
$57$	=	$- c + 20$	\| $- 57$ $+ c$
$c$	=	$- 37$

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

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $20 + 37 e^{- k \cdot 4}$ = 52.

20 + 37 e^{- 4 k}

=

51,9994

$37 e^{- 4 k} + 20$	=	$51,9994$	\| $- 20$
$37 e^{- 4 k}$	=	$31,9994$	\|: $37$
$e^{- 4 k}$	=	$0,8648$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,8648)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,8648)$	≈ 0.0363

also k ≈ 0.036314253164285, => f(t)= $20 + 37 e^{- 0,0363 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $20 + 37 e^{- 0,0363 \cdot 2}$ ≈ 54.4

Wann wird der Wert 50?: f(t)=50

20 + 37 e^{- 0,0363 t}

=

50

$37 e^{- 0,0363 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$37 e^{- 0,0363 t}$	=	$30$	\|: $37$
$e^{- 0,0363 t}$	=	$\frac{30}{37}$	\|ln(⋅)
$- 0,0363 t$	=	$\ln (\frac{30}{37})$	\|: $- 0,0363$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0363} \ln (\frac{30}{37})$	≈ 5.7774

also t=5.8

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 4% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2288 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 70 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 6 Monaten? b) Wann beträgt dieser 2235 Wörter ?

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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) = 70 - 0.04⋅f(t)

wenn man 0.04 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.04( $\frac{70}{0.04}$ - f(t))

also f'(t) = 0.04(1750 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=1750 und der Wachstumsfaktor k=0.04 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $1 750 - c \cdot e^{- 0,04 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2288 ein (Punktprobe).

$2 288$	=	$1 750 - c \cdot e^{- 0,04 \cdot 0}$
$2 288$	=	$1 750 - c$
$2 288$	=	$- c + 1 750$	\| $- 2 288$ $+ c$
$c$	=	$- 538$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $1 750 + 538 e^{- 0,04 x}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $1 750 + 538 e^{- 0,04 \cdot 6}$ ≈ 2173.2

Wann wird der Wert 2235?: f(t)=2235

1 750 + 538 e^{- 0,04 t}

=

2 235

$538 e^{- 0,04 t} + 1 750$	=	$2 235$	\| $- 1 750$
$538 e^{- 0,04 t}$	=	$485$	\|: $538$
$e^{- 0,04 t}$	=	$\frac{485}{538}$	\|ln(⋅)
$- 0,04 t$	=	$\ln (\frac{485}{538})$	\|: $- 0,04$
$t$	=	$- \frac{1}{0,04} \ln (\frac{485}{538})$	≈ 2.5927

also t=2.6

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $18 e^{- 0,06 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,06$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

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

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,06}$ ≈ 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.