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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 18 Millionen Algen im Teich. Nach 3 Stunden sind es 19,113 Millionen. a) Wie viel Millionen Algen gibt es nach 6 Stunden? b) Wann waren es 22 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 18 ist, gilt: f(0)= 18, also 18 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

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

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(3)= $18 e^{k \cdot 3}$ = 19,1131.

$18 e^{3 k}$	=	$19,1131$	\|: $18$
$e^{3 k}$	=	$1,0618$	\|ln(⋅)
$3 k$	=	$\ln (1,0618)$	\|: $3$
$k$	=	$\frac{1}{3} \ln (1,0618)$	≈ 0.02

also k ≈ 0.019988527055811, => f(t)= $18 e^{0,02 t}$

Wert zur Zeit 6: f(6)= $18 e^{0,02 \cdot 6}$ ≈ 20.3

Wann wird der Wert 22?: f(t)=22

$18 e^{0,02 t}$	=	$22$	\|: $18$
$e^{0,02 t}$	=	$\frac{11}{9}$	\|ln(⋅)
$0,02 t$	=	$\ln (\frac{11}{9})$	\|: $0,02$
$t$	=	$\frac{1}{0,02} \ln (\frac{11}{9})$	≈ 10.0335

also t=10

Exponentielles Wachstum mit Halbwertszeit

Beispiel:

Das neu entdeckte radioaktive Element Gaußium hat eine Halbwertszeit von 547 Tagen. Zu Beginn der Beobachtung sind 20g davon vorhanden. a) Wie viel g Gaußium sind nach 1575 Tagen noch da? b) Nach wie vielen Tagen ist noch 10g 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 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.

Wir berechnen k über die Halbwertszeit. Dazu stellen wir die Formel T_H= $\frac{-ln(2)}{k}$ um zu
k= $\frac{-ln(2)}{T}$ = $\frac{-ln(2)}{547}$ ≈ -0.0012671794891407

=> f(t)= $20 e^{- 0,0013 t}$

Wert zur Zeit 1575: f(1575)= $20 e^{- 0,0013 \cdot 1575}$ ≈ 2.7

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

$20 e^{- 0,0013 t}$	=	$10$	\|: $20$
$e^{- 0,0013 t}$	=	$\frac{1}{2}$	\|ln(⋅)
$- 0,0013 t$	=	$\ln (\frac{1}{2})$	\|: $- 0,0013$
$t$	=	$- \frac{1}{0,0013} \ln (\frac{1}{2})$	≈ 547.0775

also t=547.1

Exponentielles Wachstum mit Prozent

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man davon aus, dass sie jede Stunde um 6% wächst. Zu Beginn der Beobachtung werden 17 Milliarden geschätzt. a) Aus wie vielen Milliarden besteht die Bakterienkultur nach 2 Stunden? b) Wann sind es 22 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 17 ist, gilt: f(0)= 17, also 17 = $a \cdot e^{k \cdot 0}$ = $a$ = $a$

somit gilt: f(t)= $17 e^{k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu nutzen wir die Formel k= ln(1+p/100) = ln(1.06) ≈ 0.058268908123976

=> f(t)= $17 e^{0,0583 t}$

Wert zur Zeit 2: f(2)= $17 e^{0,0583 \cdot 2}$ ≈ 19.1

Wann wird der Wert 22?: f(t)=22

$17 e^{0,0583 t}$	=	$22$	\|: $17$
$e^{0,0583 t}$	=	$\frac{22}{17}$	\|ln(⋅)
$0,0583 t$	=	$\ln (\frac{22}{17})$	\|: $0,0583$
$t$	=	$\frac{1}{0,0583} \ln (\frac{22}{17})$	≈ 4.4225

also t=4.4

beschränktes Wachstum mit 2. Wert

Beispiel:

Ein Wasserboiler schaltet ab wenn er das Wasser auf 61° erhitzt hat. Nach 4 min ist das Wasser auf 51,99° abgekühlt. Die Temperatur des Raumes, in dem sich der Boiler befindet ist 20°. a) Wie warm war das Wasser nach 5 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 61 ist, gilt: f(0)= 61, also 61 = $20 - c \cdot e^{- k \cdot 0}$ = $20 - c$ = $20 - c$

$61$	=	$20 - c$
$61$	=	$- c + 20$	\| $- 61$ $+ c$
$c$	=	$- 41$

somit gilt: f(t)= $20 + 41 e^{- k \cdot t}$ , wir müssen also nur noch k bestimmen.

Dazu setzen wir einfach die zweite Information ein: f(4)= $20 + 41 e^{- k \cdot 4}$ = 51,99.

20 + 41 e^{- 4 k}

=

51,9948

$41 e^{- 4 k} + 20$	=	$51,9948$	\| $- 20$
$41 e^{- 4 k}$	=	$31,9948$	\|: $41$
$e^{- 4 k}$	=	$0,7804$	\|ln(⋅)
$- 4 k$	=	$\ln (0,7804)$	\|: $- 4$
$k$	=	$- \frac{1}{4} \ln (0,7804)$	≈ 0.062

also k ≈ 0.061987167558295, => f(t)= $20 + 41 e^{- 0,062 t}$

Wert zur Zeit 5: f(5)= $20 + 41 e^{- 0,062 \cdot 5}$ ≈ 50.1

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

20 + 41 e^{- 0,062 t}

=

50

$41 e^{- 0,062 t} + 20$	=	$50$	\| $- 20$
$41 e^{- 0,062 t}$	=	$30$	\|: $41$
$e^{- 0,062 t}$	=	$\frac{30}{41}$	\|ln(⋅)
$- 0,062 t$	=	$\ln (\frac{30}{41})$	\|: $- 0,062$
$t$	=	$- \frac{1}{0,062} \ln (\frac{30}{41})$	≈ 5.0383

also t=5

beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung

Beispiel:

Nach dem Abi vergisst Klaus-Dieter jeden Monat 8% seines Englischwortschatzes. Zum Zeitpunkt des Abiturs betrug dieser noch 2751 Wörter. Aus Langeweile entschließt er sich, wieder regelmäßig jeden Monat 78 Wörter zu lernen. a) Wie groß ist sein englischer Wortschatz nach 14 Monaten? b) Wann beträgt dieser 1497 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) = 78 - 0.08⋅f(t)

wenn man 0.08 ausklammert ergibt sich folgende Gleichung

f'(t) = 0.08( $\frac{78}{0.08}$ - f(t))

also f'(t) = 0.08(975 - f(t))

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

Wir wissen nun also, dass die Schranke S=975 und der Wachstumsfaktor k=0.08 sein müssen.

Der Funktionsterm muss also die Form f(t)= $975 - c \cdot e^{- 0,08 t}$ haben.

Um c noch bestimmen zu können, setzen wir einfach den Startwert f(0)=2751 ein (Punktprobe).

$2 751$	=	$975 - c$
$2 751$	=	$- c + 975$	\| $- 2 751$ $+ c$
$c$	=	$- 1 776$

somit haben wir nun unseren Funktionsterm: f(t)= $975 + 1 776 e^{- 0,08 x}$

Wert zur Zeit 14: f(14)= $975 + 1 776 e^{- 0,08 \cdot 14}$ ≈ 1554.5

Wann wird der Wert 1497?: f(t)=1497

975 + 1 776 e^{- 0,08 t}

=

1 497

$1 776 e^{- 0,08 t} + 975$	=	$1 497$	\| $- 975$
$1 776 e^{- 0,08 t}$	=	$522$	\|: $1 776$
$e^{- 0,08 t}$	=	$\frac{87}{296}$	\|ln(⋅)
$- 0,08 t$	=	$\ln (\frac{87}{296})$	\|: $- 0,08$
$t$	=	$- \frac{1}{0,08} \ln (\frac{87}{296})$	≈ 15.3056

also t=15.3

Halbwerts- + Verdopplungszeit best.

Beispiel:

Gegeben ist die Bestandsfunktion f mit $f(t) =$ $3 e^{- 0,07 t}$ (t in min). Bestimme die Halbwertszeit bzw. die Verdopplungszeit.

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Am negativen Vorzeichen der Wachstumskonstante k, also des Koeffizienten im Exponent ( $- 0,07$ ) erkennen wir, dass es sich um exponentiellen Zerfall handeln muss. Somit suchen wir die Halbwertszeit.

Dazu setzen wir k = $- 0,07$ einfach in die Formel T_H = - $\frac{ln(2)}{k}$ ein:

T_H = - $\frac{ln(2)}{- 0,07}$ ≈ 9.902 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.