Exponentielles Wachstum: Unterschied zwischen den Versionen

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Exponentiell ist ein Wachstum, wenn ein Bestand in gleichen Zeitabständen um einen bestimmten Faktor zu- oder abnimmt. Eine weitere Eigenschaft des exponentiellen Wachstums ist, dass es, wenn es nicht auf der y-Achse verschoben ist, die x-Achse nicht berührt oder schneidet,sondern sich dieser nur annähert.<br />
+
Beim exponentiellen Wachstum ist die Änderungsrate proportional zum Bestand.<br /><br />
  
−
==Funktionsgleichung==
+
Das bedeutet, dass die Änderungsrate entsprechend dem Bestand steigt, also umso größer wird, je größer der Bestand wird.<br />
−
===Funktionsterm===
+
Der Graph einer exponentiellen Wachstumsfunktion hat die Eigenschaft, sofern er nicht verschoben oder gespiegelt ist, die x-Achse niemals zu schneiden, sondern sich dieser im negativen Bereich nur anzunähern.<br />
−
Der Funktionsterm des exponentiellen Wachstum lautet:<br />
+
 
 +
 
 +
<!-- Ein Wachstum kann nicht auf einer Achse verschoben sein!!!  -->
 +
<!-- Was ist DAS Kriterium für exponentielles WAchstum? Hier muss der Standardsatz her! Wie auch beim linearen WAchstum. -> Die Änderungsrate ist ... -->
 +
 
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==Funktionsterm==
 +
Für Exponentialfunktionen lautet die allgemeine Form:<br />
 
<math>{f(x)=a \cdot e^{k \cdot x}}</math><br /><br />
 
<math>{f(x)=a \cdot e^{k \cdot x}}</math><br /><br />
−
Im Funktionstern steht <math>{a}</math> für den Anfangsbestand, also den Bestand zum Zeitpunkt <math>{x=0}</math> .<br />
+
Dabei steht <math>{a}</math> für den Anfangsbestand, also den Bestand zum Zeitpunkt <math>{x=0}</math>.<br />
−
<math>{k}</math> steht für die Wachstums- beziehungsweise Zerfallskonstante. Diese bestimmt einerseits, wie "stark" oder "schwach" das Wachstum ist und andererseits ob es sich um Wachstum oder Zerfall handelt.<br /><br />
+
Die Eurlerische Zahl <math>{e}</math> erfüllt in dieser Schreibweise die Aufgabe des Wachstumsfaktors.<br />
−
[[Datei:Exponentielles Wachstum 3.png|rahmenlos|links]]
+
 
−
[[Datei:Exponentielles Wachstum 2.png|rahmenlos|ohne]]<br />
+
<!-- FALSCH. Die Wachstumskonstantze ist k - siehe nächste Zeile. -->
−
Die unterschiedlichen Wachstumskonstanten haben ein "stärkeres" oder "schwächeres" exponentielles Wachstum zur Folge.
+
 
−
<br /><br />
+
<math>{k}</math> ist die sogenannte Wachstumskonstante, die für die Umwandlung der Scheibweise ohne <math>{e}</math> in die Schreibweise mit <math>{e}</math> als Basis von Bedeutung ist.
−
[[Datei:Exponentielles Wachstum 1.png|rahmenlos|ohne]]<br />
+
 
−
Für einen exponentiellen Zerfall benötigt man eine negative Wachstumskonstante (Zerfallskonstante).
+
==Verschiedene Schreibweisen==
−
===Differentialgleichung===
+
<!-- Es gibt keine alte und neue Schreibweise. Es gibt eine Schreibweise als Exponentialfunktion, und eine als Exponentialfunktion mit der Basis e. -->
−
Die dazugehörige Differentialgleichung lautet:<br />
+
 
−
<math>{f'(x)=k \cdot f(x)}</math><br /><br />
+
Exponentialfunktionen können grundsätzlich auf zwei verschiedene Weisen gebildet werden, entweder mit <math>{e}</math> als Basis, oder ohne <math>{e}</math>.<br />
−
Erklärung:<br />
+
 
−
Die Ableitung des Funktionsterms lautet:<br />
+
Die allgemeine Form für die Schreibweise ohne <math>{e}</math> lautet:<br />
−
<math>{f'(x)=k \cdot a \cdot e^{k \cdot x}}</math><br />
+
<math>{f(x)=a \cdot b^{x}}</math><br />
−
Bis auf die Wachstumskonstante <math>{k}</math> ist die Ableitungsfunktion <math>{f'(t)}</math> identisch mit der Ausgangsfunktion <math>{f(t)}</math>, daher kann der identische Teil ersetzt werden:<br />
+
Eine Wachstumsfunktion in der Schreibweise ohne <math>{e}</math> lässt sich leichter aufstellen, da man den Wachstumsfaktor <math>{b}</math> aus einer gegebenen prozentualen Zunahme bilden kann. Dafür muss man die prozentuale Zunahme zu 1 addieren.<br />
−
<math>{f'(x)=k \cdot f(x)}</math>
+
Ist die prozentuale Zunahme beispielsweise 25%, so beträgt <math>{b}</math> folglich 1,25.
−
==Beispiel==
+
 
−
[[Datei:Expponentielles Wachstum Beispiel 1.png|rahmenlos|rechts]]
+
<!-- Was ist hier der Vorteil? Hinweis auf Wachstumsrate um x Prozent, was sich in b zeigt -> Formel angeben. -->
−
Eine Bakterienkultur besteht zu Beobachtungsbeginn aus 2 Millionen Bakterien. Die Wachstumskonstante lautet <math>{k=0,3}</math><br />
+
 
−
Somit kann die Anzahl der Bakterien (in Millionen) mit der Funktion<br /><math>{f(x)=2 \cdot e^{0,3 \cdot x}}</math><br /> (x in Tagen seit Beobachtungsbeginn) beschrieben werden.<br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
+
Die Schreibweise ohne <math>{e}</math> kann relativ einfach in die Schreibweise mit <math>{e}</math> als Basis umgewandelt werden. Mit <math>{e}</math> lautet die allgemeine Formel:<br />
−
==Aufgaben==
+
<math>{f(x)=a \cdot e^{k \cdot x}}</math><br />
−
{{Aufgabe|Die Anzahl (in 100) der Schafe auf einer Insel kann mit der Funktion <math>{f(t)=2 \cdot e^{0,1 \cdot t}}</math> (t in Jahren) beschrieben werden.<br />
+
Bei der Schreibweise ohne <math>{e}</math> fehlt als Unbekannte im Vergleich zu der Schreibweise mit <math>{e}</math> nur die Wachstumskonstante <math>{k}</math>.<br />
−
1) Geben Sie die Funktionsgleichung als Differentialgleichung an!<br />
+
Ausrechnen lässt sich die Wachstumskonstante, indem man beide Formen gleichsetzt:<br /><br />
 +
<math> \begin{align}
 +
a \cdot b^{x} &= a \cdot e^{k \cdot x} \quad |:a \\
 +
b^{x} &= e^{k \cdot x} \quad | \mbox{mit } e \mbox{ logarithmieren} \\
 +
ln(b^x) &= k \cdot x \\
 +
ln(b) \cdot x &= k \cdot x \quad | \div x \\
 +
ln(b) &= k
 +
\end{align} </math> <br /><br />
 +
Um eine Wachstumsgleichung, die in der Schreibweise ohne <math>{e}</math> steht, in die Schreibweise mit <math>{e}</math> umzuwandeln, muss man also nur den natürlichen Logarithmus des ursprünglichen Wachstumsfaktors bilden und das Ergebnis als Wachstumskonstante im Exponent mit <math>{x}</math> multiplizieren.<br />
 +
Man kann also auch einfach die Formel <br />
 +
<math>{f(x)=a \cdot e^{ln(b) \cdot x}}</math><br />
 +
anwenden.<br /><br />
 +
 
 +
Der Vorteil der Schreibweise mit <math>{e}</math> als Basis ist, dass man exponentielle Wachstumsfunktion in dieser Schreibweise ableiten kann.
 +
 
 +
 
 +
===Beispiel===
 +
[[Datei:Alte Schreibweise.png|rahmenlos|rechts]]
 +
Ein Anfangsbestand von 2 vermehrt sich in bestimmten Abständen um 10%.<br />
 +
Schreibweise ohne e:<br />
 +
<math>{f(x)=2 \cdot 1,1^{x}}</math><br /><br />
 +
Schreibweise mit e:<br />
 +
1. Wachstumskonstante berechnen:<br ><br />
 +
<math> \begin{align} k &=ln(b) \\
 +
k &=ln(1,1) \\
 +
k & \approx 0,095
 +
\end{align} </math><br /><br />
 +
[[Datei:Neue Schreibweise.png|rahmenlos|rechts]]
 +
2. Funktionsgleichung aufstellen:<br />
 +
<math>{f(x)=2 \cdot e^{0,095 \cdot x}}</math>
 +
 
 +
{{Aufgabe|1=
 +
Ein Anfangsbestand von 1 vermehrt sich in bestimmten Abständen um 50%.<br />
 +
Geben Sie dazu eine Funktionsgleichung in der neuen Schreibweise an!
 +
}}
 
<popup name="Lösung">
 
<popup name="Lösung">
−
<math>{f'(t)=0,1 \cdot f(x)}</math>
+
<math> \begin{align}
 +
f(x) &=1 \cdot e^{ln(1,5) \cdot x} \\
 +
f(x) &=1 \cdot e^{0,406 \cdot x}
 +
\end{align} </math>
 
</popup>
 
</popup>
−
2) Wie viele Schafe befinden sich nach einem Jahr auf der Insel?<br />
+
 
 +
==Anfangsbestand berechnen==
 +
Wenn der Anfangsbestand unbekannt ist müssen alle anderen Werte gegeben sein, auch ein y-Wert.<br />
 +
Um <math>{a}</math> auszurechnen muss die Funktionsgleichung umgeformt werden.<br /><br />
 +
<math> \begin{align}
 +
y &=a \cdot e^{k \cdot x} \quad | \div e^{k \cdot x} \\
 +
\frac{y}{e^{k \cdot x}} &=a
 +
\end{align} </math><br />
 +
 
 +
===Beispiel===
 +
Es ist gegeben, dass ein Graph mit der Wachstumskonstante <math>{k=0,5}</math> an der Stelle <math>{x=5,025}</math> eine Höhe von <math>{y=37}</math> hat.<br />
 +
<math> \begin{align}
 +
a &=\frac{37}{e^{0,5 \cdot 5,025}} \\
 +
a &=\frac{37}{12,336} \\
 +
a &\approx 3
 +
\end{align} </math><br /><br />
 +
 
 +
{{Aufgabe|1=
 +
Es ist gegeben, dass ein Graph mit der Wachstumskonstante <math>{k=0,2}</math> an der Stelle <math>{x=2,03}</math> eine Höhe von <math>{y=15}</math> hat.
 +
Bestimmen Sie den Anfangsbestand <math>{a}</math> !
 +
}}
 
<popup name="Lösung">
 
<popup name="Lösung">
−
<math>{f(1)=2 \cdot e^{0,1 \cdot 1}}</math><br />
+
<math> \begin{align}
−
<math>{f(1)\approx 2,21}</math><br /><br />
+
a &=\frac{15}{e^{0,2 \cdot 2,03}} \\
−
Nach einem Jahr befinden sich 221 Schafe auf der Insel.
+
a &=\frac{15}{1,501} \\
 +
a &\approx 10
 +
\end{align} </math>
 
</popup>
 
</popup>
−
3) Nach wie vielen Jahren befinden sich 300 Schafe auf der Insel?
+
 
 +
==Wachstumsgeschwindigkeit berechnen==
 +
Um die Wachstumsgeschwindigkeit zu berechnen, muss man die Ableitung bilden.<br /><br />
 +
<math> \begin{align}
 +
f(x) &= a \cdot e^{k \cdot x} \\
 +
f'(x) &= k \cdot a \cdot e^{k \cdot x}
 +
\end{align} </math><br /><br />
 +
Mit der ableitungsfunktion lässt sich die Wachstumsgeschwindigkeit an jeder beliebiger Stelle des Graphen berechen.
 +
 
 +
===Beispiel===
 +
Gegeben ist die Funktion<br />
 +
<math>{f(x) =7 \cdot e^{0,1 \cdot x}}</math><br /><br />
 +
Die dazugehörige Ableitungsfunktion lautet:<br /><br />
 +
<math> \begin{align}
 +
f'(x) &= 0,1 \cdot 7 \cdot e^{0,1 \cdot x} \\
 +
f'(x) &= 0,7 \cdot e^{0,1 \cdot x}
 +
\end{align} </math>
 +
 
 +
{{Aufgabe|1=
 +
Gegeben ist die Funktion<br />
 +
<math>{f(x)=4 \cdot e^{0,3 \cdot x}}</math><br />
 +
Berechnen Sie die Wachstumsgeschwindigkeit an der Stelle <math>{x=10}</math> !<br />
 +
}}
 
<popup name="Lösung">
 
<popup name="Lösung">
−
<math>{3=2 \cdot e^{0,1 \cdot x}|/2}</math><br />
+
<math> \begin{align}
−
<math>{3/2=e^{0,1 \cdot x}|ln}</math> <br />
+
f'(x) &=0,3 \cdot 4 \cdot e^{0,3 \cdot x} \\
−
<math>{ln(3/2)=0,1 \cdot x|/0,1}</math> <br />
+
f'(x) &=1,2 \cdot e^{0,3 \cdot x} \\
−
<math>{\tfrac{ln(3/2)}{0,1}=x}</math> <br />
+
\\
−
<math>{4,06 \approx x}</math><br /><br />
+
f'(10) &=1,2 \cdot e^{0,3 \cdot 10} \\
−
Nach ungefähr 4 Jahren befinden sich 300 Schafe auf der Insel.
+
f'(10) &=24,1
 +
\end{align} </math>
 +
</popup>
 +
 
 +
==Übungsaufgabe==
 +
{{Aufgabe|1=
 +
Eine Bank bietet 2% (jährlich) Zinsen.<br />
 +
 
 +
a)Geben Sie, so weit möglich, die Funktionsgleichung mit e an!<br />
 +
 
 +
b)Wie hoch war der Kontostand zu Beobachtungsbeginn, wenn nach zwei Jahren 104,04 € auf dem Konto sind?<br />
 +
 
 +
c)Wieviel Geld wird nach 10 Jahren auf dem Konto sein?<br />
 +
 
 +
d)Wann befinden sich 150 € auf dem Konto?<br />
 +
 
 +
}}
 +
 
 +
<popup name="Lösung a)">
 +
<math> \begin{align}
 +
f(x) &= a \cdot e^{ln(1,02) \cdot x} \\
 +
f(x) &= a \cdot e^{0,02 \cdot x}
 +
\end{align} </math>
 +
</popup>
 +
 
 +
<popup name="Lösung b)">
 +
<math> \begin{align}
 +
a &= \frac{104,04}{e^{0,02 \cdot 2}} \\
 +
a & \approx 100
 +
\end{align} </math><br /><br />
 +
Mit den gegebenen Werten muss der Kontostand zu Beobachtungsbeginn ungefähr 100 € betragen haben.
 +
</popup>
 +
 
 +
<popup name="Lösung c)">
 +
<math> \begin{align}
 +
f(x) &= 100 \cdot e^{0,02 \cdot x} \\
 +
f(10) &= 100 \cdot e^{0,02 \cdot 10} \\
 +
f(10) & \approx 122
 +
\end{align} </math><br /> <br />
 +
Nach 10 Jahren befinden sich ungefähr 122 € auf dem Konto.
 +
</popup>
 +
 
 +
<popup name="Lösung d)">
 +
<math> \begin{align}
 +
150 &= 100 \cdot e^{0,02 \cdot x} \quad | \div 100 \\
 +
\frac{3}{2} &= e^{0,02 \cdot x} \quad | \mbox{mit } e \mbox{ logarithmieren} \\
 +
ln(1,5) &= 0,02 \cdot x \quad |\div 0,02 \\
 +
\frac{ln(1,5)}{0,02} &= x \\
 +
20,273 & \approx x
 +
\end{align} </math><br /><br />
 +
Nach ungefähr 20 Jahren und 3 Monaten befinden sich 150 € auf dem Konto.
 
</popup>
 
</popup>
−
}}<br />
 

Aktuelle Version vom 18. Dezember 2018, 18:46 Uhr

Beim exponentiellen Wachstum ist die Änderungsrate proportional zum Bestand.

Das bedeutet, dass die Änderungsrate entsprechend dem Bestand steigt, also umso größer wird, je größer der Bestand wird.
Der Graph einer exponentiellen Wachstumsfunktion hat die Eigenschaft, sofern er nicht verschoben oder gespiegelt ist, die x-Achse niemals zu schneiden, sondern sich dieser im negativen Bereich nur anzunähern.


Inhaltsverzeichnis

Funktionsterm

Für Exponentialfunktionen lautet die allgemeine Form:
{f(x)=a \cdot e^{k \cdot x}}

Dabei steht {a} für den Anfangsbestand, also den Bestand zum Zeitpunkt {x=0}.
Die Eurlerische Zahl {e} erfüllt in dieser Schreibweise die Aufgabe des Wachstumsfaktors.


{k} ist die sogenannte Wachstumskonstante, die für die Umwandlung der Scheibweise ohne {e} in die Schreibweise mit {e} als Basis von Bedeutung ist.

Verschiedene Schreibweisen

Exponentialfunktionen können grundsätzlich auf zwei verschiedene Weisen gebildet werden, entweder mit {e} als Basis, oder ohne {e}.

Die allgemeine Form für die Schreibweise ohne {e} lautet:
{f(x)=a \cdot b^{x}}
Eine Wachstumsfunktion in der Schreibweise ohne {e} lässt sich leichter aufstellen, da man den Wachstumsfaktor {b} aus einer gegebenen prozentualen Zunahme bilden kann. Dafür muss man die prozentuale Zunahme zu 1 addieren.
Ist die prozentuale Zunahme beispielsweise 25%, so beträgt {b} folglich 1,25.


Die Schreibweise ohne {e} kann relativ einfach in die Schreibweise mit {e} als Basis umgewandelt werden. Mit {e} lautet die allgemeine Formel:
{f(x)=a \cdot e^{k \cdot x}}
Bei der Schreibweise ohne {e} fehlt als Unbekannte im Vergleich zu der Schreibweise mit {e} nur die Wachstumskonstante {k}.
Ausrechnen lässt sich die Wachstumskonstante, indem man beide Formen gleichsetzt:

\begin{align} a \cdot b^{x} &= a \cdot e^{k \cdot x} \quad |:a \\ b^{x} &= e^{k \cdot x} \quad | \mbox{mit } e \mbox{ logarithmieren} \\ ln(b^x) &= k \cdot x \\ ln(b) \cdot x &= k \cdot x \quad | \div x \\ ln(b) &= k \end{align}

Um eine Wachstumsgleichung, die in der Schreibweise ohne {e} steht, in die Schreibweise mit {e} umzuwandeln, muss man also nur den natürlichen Logarithmus des ursprünglichen Wachstumsfaktors bilden und das Ergebnis als Wachstumskonstante im Exponent mit {x} multiplizieren.
Man kann also auch einfach die Formel
{f(x)=a \cdot e^{ln(b) \cdot x}}
anwenden.

Der Vorteil der Schreibweise mit {e} als Basis ist, dass man exponentielle Wachstumsfunktion in dieser Schreibweise ableiten kann.


Beispiel

Alte Schreibweise.png

Ein Anfangsbestand von 2 vermehrt sich in bestimmten Abständen um 10%.
Schreibweise ohne e:
{f(x)=2 \cdot 1,1^{x}}

Schreibweise mit e:
1. Wachstumskonstante berechnen:

\begin{align} k &=ln(b) \\ k &=ln(1,1) \\ k & \approx 0,095 \end{align}

Neue Schreibweise.png

2. Funktionsgleichung aufstellen:
{f(x)=2 \cdot e^{0,095 \cdot x}}

30px   Aufgabe

Ein Anfangsbestand von 1 vermehrt sich in bestimmten Abständen um 50%.
Geben Sie dazu eine Funktionsgleichung in der neuen Schreibweise an!

Anfangsbestand berechnen

Wenn der Anfangsbestand unbekannt ist müssen alle anderen Werte gegeben sein, auch ein y-Wert.
Um {a} auszurechnen muss die Funktionsgleichung umgeformt werden.

\begin{align} y &=a \cdot e^{k \cdot x} \quad | \div e^{k \cdot x} \\ \frac{y}{e^{k \cdot x}} &=a \end{align}

Beispiel

Es ist gegeben, dass ein Graph mit der Wachstumskonstante {k=0,5} an der Stelle {x=5,025} eine Höhe von {y=37} hat.
\begin{align} a &=\frac{37}{e^{0,5 \cdot 5,025}} \\ a &=\frac{37}{12,336} \\ a &\approx 3 \end{align}

30px   Aufgabe

Es ist gegeben, dass ein Graph mit der Wachstumskonstante {k=0,2} an der Stelle {x=2,03} eine Höhe von {y=15} hat. Bestimmen Sie den Anfangsbestand {a} !

Wachstumsgeschwindigkeit berechnen

Um die Wachstumsgeschwindigkeit zu berechnen, muss man die Ableitung bilden.

\begin{align} f(x) &= a \cdot e^{k \cdot x} \\ f'(x) &= k \cdot a \cdot e^{k \cdot x} \end{align}

Mit der ableitungsfunktion lässt sich die Wachstumsgeschwindigkeit an jeder beliebiger Stelle des Graphen berechen.

Beispiel

Gegeben ist die Funktion
{f(x) =7 \cdot e^{0,1 \cdot x}}

Die dazugehörige Ableitungsfunktion lautet:

\begin{align} f'(x) &= 0,1 \cdot 7 \cdot e^{0,1 \cdot x} \\ f'(x) &= 0,7 \cdot e^{0,1 \cdot x} \end{align}

30px   Aufgabe

Gegeben ist die Funktion
{f(x)=4 \cdot e^{0,3 \cdot x}}
Berechnen Sie die Wachstumsgeschwindigkeit an der Stelle {x=10} !

Übungsaufgabe

30px   Aufgabe

Eine Bank bietet 2% (jährlich) Zinsen.

a)Geben Sie, so weit möglich, die Funktionsgleichung mit e an!

b)Wie hoch war der Kontostand zu Beobachtungsbeginn, wenn nach zwei Jahren 104,04 € auf dem Konto sind?

c)Wieviel Geld wird nach 10 Jahren auf dem Konto sein?

d)Wann befinden sich 150 € auf dem Konto?

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