M10 Exponentielles Wachstum

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Im März 2020 wurde der erste Lockdown zur Corona-Pandemie mit der exponentiellen Zunahme der Infizierten und Kranken begründet. Was heißt aber nun exponentielle Zunahme?

Was ist nun anders?
In der 8. Klasse hat man das lineare Wachstum kennengelernt. Ein Anfangsbestand t erfährt pro Zeiteinheit eine Zunahme um m. y kennzeichnet den Gesamtbestand nach x Zeiteinheiten.

x 0 1 2 3 4 5
y t t+m t+2m t+3m t+4m t+5m

Lineares wachstum.jpg

Es ergibt sich die Formel y = mx + t , der Graph ist eine Gerade mit y-Abschnitt t und Steigung m.

Beim exponentiellen Wachstum ist es ähnlich, nur dass nun nach jeder Zeiteinheit der Bestand mit dem Wachstumsfaktor a multipliziert wird. Während jeder Zeiteinheit ändert sich der Bestand um den gleichen Faktor a. Man hat dann diese Tabelle.

x 0 1 2 3 4 5
y b b·a b·a2 b·a3 b·a4 b·a5

Exponentielles wachstum.jpg

Es ergibt sich die Formel y = b·ax mit b ist der Anfangsbestand und a ist der Wachstumsfaktor.

Ist a > 1, dann liegt eine exponentielle Zunahme vor, ist a < 1 dann eine exponentielle Abnahme.


In diesem Video wird das exponentielle Wachstum zuerst wieder am Schachproblem mit den Reiskörner begonnen und dann bei Corona betrachtet. Viele Aussagen und Bilder zu Corona werden euch sicher aus diversen Informationssendungen bekannt vorkommen.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 1

Nenne Beispiele für exponentielles Wachstums.

[Lösung anzeigen]


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 2

Handelt es sich um lineares oder um exponentielles Wachstum?
a) Zunahme der Schneedicke bei gleichmäigem Schneefall.
b) Zunahme der Winkelsumme im n-Eck bei wachsender Eckenzahl.
c) Zunahme des Kapitals auf dem Konto bei jährlicher Verzinsung.
d) Zunahme des Kapitals im Sparschwein bei monatlicher Einzahlung eines festen Betrags.
e) Zunahme der Papierdicke bei n Faltvorgängen.
f) Zunahme der Haarlänge.

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Maehnrot.jpg
Merke:

Vervielfacht sich ein Bestand pro Einheit jeweils um den gleichen Faktor a, dann spricht man von einem exponentiellen Wachsstum.
Die Formel für exponentielles Wachstum ist y = b\cdot a^x,
dabei ist b der Anfangsbestand (für x=0) und a der Wachstumsfaktor.

Wenn man den Anfangsbestand b hat und er nimmt jeweils pro Einheit von x um 50% zu, dann ist der Wachstumsfaktor 1,5.
Nach einer Einheit ist y = b·1,5, hat also um 50% zugenommen. Dies ist nun der Ausgangswert für die nächste Einheit. Nach dieser Einheit ist der Bestand y = (b·1,5)·1,5=b·1,52. Dies ist nun der Ausgangswert für die nächste Einheit. Nach der dritten Einheit ist der Bestand y = (b·1,52)·1,5 = b·1,53. usw.
Wenn die Zunahme um 50% (= 0,5) ist, dann ist der Wachstumsfaktor 1 + 0,5 = 1,5.

Ist die Zunahme pro Einheit 30%, dann ist der Wachstumsfaktor a = 1,3. Bei Zunahme ist a > 1.

Bei einer Abnahme um 20%, verringert sich der Anfangsbestand. Nach der ersten Einheit sind nur noch 80% vorhanden. Der Anfangsbestand b ist dann y = b·0,8. Dies ist wieder der Ausgangswert für die nächste Einheit. Nach der zweiten Einheit ist deren Anfangsbestand b·0,8 dann nur noch y = (b·0,8)·0,8 = b·0,8<sup<2</sup>. Dies ist dann der Ausgangswert für die nächste Einheit. Nach der dritten Einheit ist der Bestand y = (b·0,82)·0,8 = b·0,853. usw.
Wenn die Abnahme pro Einheit 20% (=0,2) ist, dann ist der Wachstumsfaktor 1 - 0,2 = 0,8.

Ist die Abnahme pro Einheit 30%, dann ist der Wachstumsfaktor a = 0,7. Bei Abnahme ist a < 1.

Nuvola apps kig.png   Merke

Der Wachstumsfaktor a ist stets eine positive reelle Zahl, also a > 0.

Hat man eine Zunahme, dann ist a > 1, hat man eine Abnahme, dann ist a < 1.

Beispiel: Franziska bekommt von ihrem Lieblingonkel Franz ein Sparbuch mit 1000€. Pro Jahr wird ihr Kapital mit 5% verzinst. Der Zins wird zum Jahresende berechnet, sein Betrag ist 1000€·5%=1000€·0,05 und zum Kapital hinzugerechnet.
Nach dem ersten Jahr hat Franziska dann 1000€ + 1000€·5%=1000€ + 1000€*0,05 = 1000€ + 50€.
Andere Rechnung mit dem Distributivgesetz: 1000€ + 1000€*0,05 = 1000€·(1+0,05) = 1000€·1,05 = 1050€.
Dies ist jetzt das Kaptial für das zweite Jahr. Nach dem zweiten Jahr hast Franziska dann 1050€ + 1050€·0,05 = 1050€·1,05 = 1102,50€
Nach dem dritten Jahr erhältst sie wieder Zinsen und ihr Kapital ist dann 1102,50€ + 1102,50€·0,5 = 1102,50€·1,05 = 1157,625€. (Der halbe Cent wird aufgerundet!). usw.
Für die ersten 5 Jahre schaut das so aus:

Zinseszins 1.jpg

Das ist jetzt nicht aufregend. Bei linearem Wachstum hättest du nur 1000€ + 5·50€ = 1250€. Da ist dieses exponentielle Wachstum schon etwas besser. Man sieht den Effekt des exponentiellen Wachstums besser, wenn man weiter fortschreitet.

Zinseszins 2.jpg

Hier sieht man im Diagramm deutlich wie das Kapital doch deutlich größer wird. Nach 30 Jahren hättest du mit linearem Wachstum 2500€. Bei exponentiellem Wachstum ist es doch deutlich mehr. Man bezeichnet dies auch als Zinseszinseffekt.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 3

Wie groß wäre Franziskas Vermögen, wenn ihr Ururururur.....uronkel im Jahre 0 einen Euro für sie mit 5% jährlicher Verzinsung angelegt hätte?

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Nuvola apps kig.png   Merke

Ist die Zunahme pro Einheit p%, dann ist der Wachstumsfaktor a = 1+p/100.

Ist die Abnahme pro Einheit p%m dann ist der Wachstumsfaktor a = 1-p/100.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 4

1. Die bekanntesten Bakterien sind die Kolibakterien. Sie besiedeln unseren Darm und vergären Zucker. In Gewässern ist ihre Anzahl ein Maß für die Verschmutzung durch Kot. Eine Nährlösung enthält Kolibakterien. Messungen ergeben dabei folgende Werte:
87-3-tabelle.jpg
a) Bestimme den Wachstumsfaktor a. Um wie viel Prozent nimmt die Anzahl pro Minute zu?
b) Stelle eine Gleichung auf, mit der sich die Anzahl N der Bakterien aus dem Anfangsbestand von 2 Mio. und der Zeit t in Minuten berechnen lässt.
c) Berechne die restlichen Werte der Tabelle und zeichne ein t-N-Diagramm. Wann hat sich der anfangsbestand der Bakterien verdoppelt, wann vervierfacht?

2. Die Anzahl N der Bakterien einer bestimmten Art nimmt innerhalb einer Stunde in einer Kultur um 50% zu. Am Beobachtungsbeginn sind N0 = 4 Millionen Bakterien vorhanden.
a) Stelle eine Wertetabelle von t = 0 Stunden bis t = 3 Stunden mit der Schrittweite 1 auf.
b) Stelle die Gleichung auf, die den Zusammenhang zwischen t und N beschreibt.
c) Wie viele Bakterien sind nach 0,5h, 1,5h, 2,5h vorhanden?
d) Um wie viel Prodzent wächst die Bakterienkultur innerhalb einer halben Stunde?
Vergleiche mit dem Prozentsatz für eine Stunde.
e) Zeichne ein t-N-Diagramm. In welcher Zeit verdoppelt sich die Bakterienzahl?
f) Aus wie vielene Bakterien bestand die Kultur eine halbe Stunde vor dem Beobachtungsbeginn?

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Nuvola apps kig.png   Merke

Der Zeitraum in dem sich ein Bestand bei exponentieller Zunahme jeweils verdoppelt heißt Verdoppelungszeit.

87-3 2c.jpg

Beim exponentieller Zunahme ist die Verdoppelungszeit, das ist die Zeit in der sich ein Bestand verdoppelt, stets gleich.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 5

Je tiefer man in einem klaren See taucht, desto dunkler wird es. Beim Durchgang durch eine 1 dm dicke Wasserschicht nimmt die Beleuchtungsstärke des Lichts jeweils um 20% ab. Die relative Beleuchtungsstärke y gibt an, auf welchen Wert die Beleuchtungsstärke 1 an der Wasseroberfläche in der Tiefe x dm gefallen ist.
a) Stelle eine Wertetabelle von x = 0 bis x = 10 mit der Schrittweite 1 auf.
Zeichne ein x-y-Diagramm.
b) Gib die Gleichung an, die den Zusammenahng zwischen x und y beschreibt.
c) In welcher Tiefe hat die Beleuchtungsstärke auf die Hälfte, auf ein Viertel, auf ein Achtel abgenommen?

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Nuvola apps kig.png   Merke

Der Zeitraum in dem sich ein Bestand bei exponentieller Abnahme jeweils halbiert heißt Halbwertszeit.
Beim exponentieller Abnahme ist die Halbwertszeit, die Zeit für den sich ein Bestand halbiert, stets gleich.

In dem Beispiel von Aufgabe 4 hat man keine Zeit, sondern eine Dicke einer Wasserschicht. Man spricht daher von Halbwertsdicke.

87-5 2c.jpg

Bei exponentieller Abnahme ist die Halbwertsdicke, das ist die Dicke nach der nur noch die Hälfte da ist, stets gleich.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 6

1. Welchen Wert hat die Halbwertsdicke in Aufgabe 5?

2. Nenne Beispiele zur exponentiellen Abnahme.

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Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 7

Gib jeweils den Wachstumsfaktor a an:
a) 20% Wachstsum
b) 7% Wachstum
c) 0,3% Wachstum
d) 15% Abnahme
e) 12,5% Abnahme
f) 0,25% Abnahme
g) 100% Wachstum
h) 200% Wachstum
i) 125% Wachstum
Um wie viel Prozent nimmt der Bestand pro einheit zu bzw. ab?
k) y = 1,04x
l) y = 1,6x
m) y = 0,95x
n) y = 2,5x
o) y = 0,5x
p) y = 0,999x
q) y =2·1,3x
r) y = 5·4x

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Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 8

Eine Tasse Kaffee enthält 50 bis 100mg Koeffein, eine Tasse schwarzer Tee bis zu 50mg. Das Koffein wird vom Magen und Darm rasch und nahezu vollständig an das Blut abgegeben. Die Koffeinmenge von y mg im Blut eines Erwachsenen wurde in Abhängigkeit von der zeit x h gemessen.
a9 Übertrage die Tabelle und berechne, um wie viele Milligramm die Koffeinmenge im Blut innerhalb einer Stunde jeweils abnimmt. Was stellst du fest?
Tabelle
b) Um welchen Faktor nimmt die Koffeinmenge innerhalb einer Stunde ab. Wie viel Prozent sind das?
c) Stelle eine gleichung auf, die den Zusammenhang zwischen x und y beschreibt.
d) Welche Koffeinmenge y liegt nach 5, 6, 7, 8 Stunden vor?
e) Zeichne ein x-y-diagramm. Nach wie vielen Stunden hat sich die Koffeinmenge halbiert bzw. geviertelt?
f) Koffein ist anregen. Übermäßiger Kaffeegenuss kann aber zu Nervosität und erhöhter Erregung führen. eine Koffeinmenge von mehr als 150mg kann bei Erwachsenen schädlich sein. Wie viele Tassen Kaffee darf ein Erwachsener im zeitlichen Abstand von einer halben Stunde höchstens trinken, damit er nicht nervös wird?

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Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 9

In der Tabelle sind fünf Wachstumsvorgänge angegeben. Zeichne jeweils ein x-y-Diagramm und untersuche, um welche Art von Wachstum es sich handelt. Stelle die gleichung auf, die den Zusammenhang zwischen x und y beschreibt. 89-9-tabelle.jpg

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Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 10

Die Insel Manhatten hat eine Fläche von 60km². Im Jahr 1626 kaufte ein Niederländer Manhatten den Indianern für 60 Gulden ab und gründete darauf eine Siedlung. 50 Jahre später ging der Besitz an die Engländer über. Die Siedlung erhielt dann nach dem Herzog von York den Namen New York. Stell dir vor, die Indianer hätten die 60 Gulden bei der niederländischen Bank zu einem Zinssatz von 5% pro Jahr und einer Laufzeit bis zum Jahar 2008 angelegt.
a) Gib den Wachstumsfaktor an, wenn die Zinsen mitverzinst wurden.
b) Wie viele Gulden hätte die Bank den Indianern im Jahr 2008 auszahlen müssen?
Welchem Preis pro m² entspricht das?
c) 1626 kostete eine Kuh 10 Gulden. War der Kauf ein fairer "Deal"?

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Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 11

Was hat dieser Film mit exponentiellem Wachstum zu tun?

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