Wachstum, Zerfall, Halbwertszeit und Exponential- und Logarithmusgleichungen.
Runde Näherungen auf zwei Nachkommastellen. Unterscheide kontinuierliche Zeitpunkte von gefragten ganzen Stunden oder Jahren. Logarithmen reeller Zahlen benötigen ein positives Argument.
Rechne im Heft oder im Notizfeld. Vergleiche anschließend mit dem Lösungsweg und markiere die Aufgabe als selbst geprüft. Die Markierung ist keine automatische Bewertung.
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Formeln & Hinweise
Exponentielles Modell
f(t) = A · qᵗ mit q > 0; A = f(0). Für einen positiven Anfangswert A gilt: Bei q > 1 Wachstum, bei 0 < q < 1 Zerfall.
Prozent und Halbwertszeit
p % Wachstum: q = 1 + p/100. Halbwertszeit H: f(t) = A · (1/2)t/H.
Logarithmus
log_b(x) = y bedeutet bʸ = x; x > 0, b > 0 und b ≠ 1. log_b(x) = ln(x)/ln(b).
Rechenregeln
ln(uv) = ln u + ln v; ln(u/v) = ln u − ln v; ln(uʳ) = r · ln u für u,v > 0. Für ln(u + v) gibt es keine entsprechende Summenregel.
Modelle für Wachstum und Zerfall
Aufgabe 01
Modelle lesen
Für t in Jahren gelten A(t) = 120 · 1,06ᵗ und B(t) = 500 · 0,82ᵗ. Bestimme jeweils Anfangswert, Änderungsfaktor und jährliche prozentuelle Änderung.
Lösungsweg & Ergebnis
Bei t = 0 ist q⁰ = 1: Die Anfangswerte sind 120 und 500.
Eine Modellpopulation startet mit 800 Bakterien und wächst pro Stunde um 25 %. Gib N(t) an, bestimme N(6) und die erste ganze Stunde mit mindestens 5.000 Bakterien.
Lösungsweg & Ergebnis
N(t) = 800 · 1,25ᵗ mit t in Stunden.
N(6) = 800 · 1,25⁶ ≈ 3.051,76; als Anzahl sind das ungefähr 3.052 Bakterien.
−√10 liegt nicht im Definitionsbereich und muss verworfen werden.
Ergebnis: Definitionsbereich: x > 1. Lösung: x = √10 ≈ 3,16.
Aufgabe 08
Abkühlung mit Umgebungstemperatur
Ein Getränk wird durch T(t) = 20 + 60 · e−0,15t beschrieben, t in Minuten und T in °C. Bestimme T(0), T(10) und den Zeitpunkt mit T = 30 °C. Erreicht das Modell 20 °C nach endlicher Zeit?
Lösungsweg & Ergebnis
T(0) = 20 + 60 = 80 °C. T(10) = 20 + 60 · e−1,5 ≈ 33,3878 °C.
30 = 20 + 60 · e−0,15t ergibt e−0,15t = 1/6.
−0,15t = ln(1/6), daher t = ln 6 / 0,15 ≈ 11,9451 Minuten.
Für endliches t ist e−0,15t > 0. Die Temperatur nähert sich 20 °C nur an.
Ergebnis: T(0) = 80 °C; T(10) ≈ 33,39 °C; 30 °C nach etwa 11,95 Minuten; 20 °C werden nicht nach endlicher Zeit erreicht.