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Algebra mit Spaß lernen
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Exponential- und Logarithmusfunktionen 3
Wachstums- und Abklingprozesse
(nur für Wahlpflichtfachgruppe I)
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Ich will dir mal erzählen, wann ich diese Seite angefangen habe zu basteln. Heute ist der 22.12.2008, der 4. Advent. Eigentlich müsste ich dir also "Frohe Weihnachten" wünschen. Vermutlich ist die Seite aber erst zu Silvester fertig. Also wäre vielleicht ein "Prosit Neujahr" angebracht. Wahrscheinlicher ist aber, dass du sie erst im nächsten Jahr liest oder in einem der folgenden Jahre. Drum muss ein schlichtes "Grüß Gott" genügen und sei mir herzlich willkommen.
Was ist ein Wachstumsprozess? Die Weltbevölkerung wächst, das ist ein Wachstumsprozess. Wenn du 10 000 € auf dein Sparbuch legst und z.B. 10 Jahre lange nicht anrührst, dann addieren sich jedes Jahr die Zinsen zu deinem Kapital. Es wächst immer schneller durch den Zinseszinseffekt. In beiden Fällen handelt es sich um exponentielles Wachstum. Solches Wachstum lässt sich durch eine Exponentialfunktion beschreiben. Auch das Pflanzenwachstum erfolgt exponentiell.
Was ist ein Abklingprozess? Heiße Flüßigkeiten wie Badewasser, Tee, Kaffee kühlen sich mit der Zeit ab. Radioaktive Elemente zerfallen mit einer bestimmten Halbwertszeit. Wenn du ein Darlehen zurück zahlst, machst du dies mit einer festen Tilgungsrate. Deine Schulden sinken am Anfang nur sehr langsam, weil der Zinsanteil an deiner Tilgungsrate noch sehr hoch ist. Aber keine Angst deine Schulden nehmen gegen Ende der Ausleihzeit doch sehr schnell ab. In allen diesen Fällen handelt sich um eine exponentielle Abnahme.
Aufgabe 1:
Julia und Johannes legen jeweils zu ihrem 14. Geburtstag 1200 € bzw. 1400 € bei einer Bank an. Bestimme jeweils die Höhe ihres Guthabens, das ihnen mit 18 Jahren ausgezahlt wird, wenn die Beträge mit 2 % angelegt werden.
Packe unten das Arbeitsblatt mit Maus am roten Balken und schiebe es nach links damit du im Rand meine Plaudereien einblenden kannst. Das geschieht durch Mausklick auf 1, 2 usw. |
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| Nr. 1 |
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Das Werkzeug für so eine Aufgabe hast du schon auf der Seite 2 kennengelernt. Lege eine kleine Tabelle für die ersten 2 oder 3 Jahre an. Aus dieser kannst du dann leicht die Exponentialfunktion herleiten.
1. Jahr

2. Jahr

n. Jahr
Der Wachstumsfaktor (die Basis) heißt in der Zinsrechnung Zinsfaktor q. |
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| Nr. 2 |
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| Die Aufgabe kannst du jetzt mit dem Arbeitsblatt links oder mit deinem Taschenrechner lösen.
Julia:

Johannes:

Aufgabe 2:
Berechne das Kapital am Ende der angegebenen Laufzeit.
a)
Kapital: 3000 €
Zinssatz: 4 %
Laufzeit: 3 Jahre
zur Lösung hier klicken... |
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b)
Kapital 5500 €
Zinssatz: 3,4 %
Laufzeit: 6 Jahre
zur Lösung hier klicken... |
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| Nr. 2 |
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c)
Kapital: 6700 €
Zinssatz: 3,75 %
Laufzeit: 4 Jahre
zur Lösung hier klicken... |
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d)
Kapital 12 500 €
Zinssatz: 5,25 %
Laufzeit: 8 Jahre
zur Lösung hier klicken... |
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e)
Kapital: 1500 €
Zinssatz: 6,25 %
laufzeit: 9 Jahre
zur Lösung hier klicken... |
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Aufgabe 3:
Während in vielen Ländern die Bevölkerungszahlen ansteigen, kommte es z.B. in Deutschland zu einem jährlichen Bevölkerungsrückgang um 0,1 %.
a) Bestimme die Einwohnerzahlen in den folgenden 8 Jahren bei einer Einwohnerzahl am 31.12.2005 von 82,4 Millionen.
b) Berechne die voraussichtliche Einwohnerzahl für das Jahr 2040, falls der Wachstumsfaktor sich nicht ändert.
c) Ermittle den jährlichen Bevölkerungsrückgang in %, vorausgesetzt die Einwohnerzahl ist nach 20 Jahren auf 79,96 Millionen gesunken.
d) Erstelle eine Prognose für das Jahr 2040 bei einer jährlichen Abnahme von 0,2 %.
Packe unten das Arbeitsblatt mit Maus am roten Balken und schiebe es nach links damit du im Rand meine Plaudereien einblenden kannst. Das geschieht durch Mausklick auf 1, 2 usw.
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| Nr. 3 |
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Lösung mit Äquivalenzumformung:
Lösung mit Casio-GTR-GRAPH:

Wie du an y = 79,96 siehst, musst du den Bereich deiner y-Achse neu einstellen. Mit F3 wählst du V-Window und stellst den Bereich deiner y-Achse auf -100<y<100.

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| Nr. 4 |
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Falls dein Lehrer diesen Lösungsweg zulässt, vergissnicht ihn zu dokumentieren. bei mir müsstest du schreiben:
GRAPH-F6-F5-F5
p = 0,15 %
Lösung mit Casio-GTR-EQUA:
EQUA-F3-F6

Du gibst die Gleichung ein, wie du sie erstellt hast. Um die vollständige Gleichung zu sehen, müsstest du im Display scrollen.
d)
Deine Lösung kannst du wieder mit dem Arbeitsblatt kontrollieren.
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| Nr. 1 |
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Damit keine Missverständnisse aufkommen, der Graph links ist keine Gerade! Es ist ein Ausschnitt eines Graphen einer Exponentialfunktion. Der Wachstumsfaktor liegt nur sehr nahe bei 1 und ist kleiner als 1. Optisch lässt sich das nicht mehr wahrnehmen.
a)
Wie immer fängst du mit einer kleinen Tabelle der ersten beiden Schritte an. Dies sollte für dich reichen die Exponentialfunktion herzuleiten.
1. Jahr

2. Jahr
n. Jahr
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| Nr. 2 |
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weiter a)
Merke: Bei Abnahmevorgängen ist der Wachstumsfaktor kleiner als 1!
So jetzt bestimmst du die Einwohnerzahl für die ersten 8 Jahre in einer Wertetabelle mit deinem Taschenrechner. Deine Ergebnisse kannst du mit dem Arbeitsblatt links kontrollieren.
Der rote Punkt mit der x-Messlinie lässt sich mit der Maus auf der x-Achse ziehen. Die zugehörige y-Messlinie wird automatisch erzeugt.
b)
Auch dieses Ergebnis kannst du mit dem Arbeitsblatt kontrollieren.
c)
zur Lösung hier klicken... |
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Du musst folgende Exponentialgleichung lösen:
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Dieses kannst du durch Äquivalenzumformungen machen oder du benutzt deinen Casio-GTR. Es geht sowohl graphisch im GRAPH-Menü als auch algebraisch im EQUA-Menü. |
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Aufgabe 4:
Heiße Flüssigkeiten (Wasser, Tee, Kaffee...) kühlen sich mit der Zeit ab. Die temperatur y °C hängt dabei von der Zeit x Minuten ab und wird durch eine Gleichung der Form beschrieben. Dabei steht Tu für die Temperatur der Umgebung und Ta für die Ausgangstemperatur der Flüssigkeit.
In einer Messreihe wurden bei Tu = 22 °C und Ta = 60 °C die folgenden Werte ermittelt. |
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x min |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
y °C |
56,4 |
53,1 |
50,1 |
47,5 |
45,0 |
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a) Stelle den Zusammenhang grafisch dar.
b) Zeige durch Rechnung, dass man für a den Wert 0,02 erhält.
c) Welche Temperatur hat die Flüssigkeit nach 8 min (10 min; 20 min; 60 min)?
Vergleiche mit der Tabelle und erkläre.
d) Nach welcher Zeit ist die Flüssigkeit auf 40 °C (35 °C) abgekühlt? Runde sinnvoll. |
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| Nr. 1 |
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a)
Du musst ein geeignetes Koordinatensystem zeichnen, etwa so wie ich links im Arbeitsblatt und 5 Punkte einzeichnen.
b)
Wenn a = 0,02 ist, dann müssen die 5 Punkte auf dem Graphen folgender Exponentialfunktion liegen.
Durch Einsetzen lässt es sich leicht überprüfen.
(5/56,4) eingesetzt
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| Nr. 4 |
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weiter b )
(25/45,0) eingesetzt

Damit hast du rechnerisch nachgewiesen, dass für a der Wert a = 0,02 richtig ist.
c)
Du musst die vier x-Werte in folgende Funktionsgleichung einsetzen:
Du kannst deine Ergebnisse mittels meiner Messlinien im Arbeitsblatt kontrollieren. Falls nicht, gehe auf die Seiten 1 und 2 zurück und studiere sie. Ich habe wirklich keine Lust dir die Schnürsenkel zuzumachen. |
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| Nr. 3 |
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weiter b )
(10/53,1) eingesetzt

(15/50.1) eingesetzt

(20/47,5) eingesetzt
Nein, den letzten Punkt kann ich dir nicht ersparen. |
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| Nr. 2 |
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weiter b )
Falls du Zweifel hast, dann bedenke, dass es sich bei deiner Wertetabelle um Messwerte handelt und du suchst nach einer Funktion, die dir deine Messungen und weitere Messungen gut beschreibt. Es handelt sich hier nicht um eine Wertetabelle, die du mittels einer Funktionsgleichung erzeugt hast.
Messungen streuen!
Die Messungen hier sind ausgesprochen gut. Keine liegt abseits des Graphen, den ich mittels a = 0,02 erzeugt habe. Gratulation dem Physiker, der immer so genau misst.
Wenn du aus Messungen eine Funktion berechnest, wirst du immer nur eine Näherungslösung erhalten. Wie man so eine Gleichung berechnet, damit man verlässliche Vorhersagen machen kann, lernst du (noch) nicht an der bayerischen Realschule. |
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| Nr. 5 |
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d)
Hier ist der y-Wert gegeben. Mit deinem Casio-GTR solltest du diese Aufgabe im GRAPH-Menü lösen können. Falls nicht, gehe auf Seite 1 und 2 zurück und arbeite sie durch. Ich habe wirklich keine Lust, dir in deinem Alter noch den Hintern abzuwischen, d.h. mich ständig zu wiederholen. Ich bin doch keine tibetische Gebetsmühle.
Na gut, ein wenig schon. Benutze meine Messlinien links und überprüfe deine Casio-GTR Ergebnisse.
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Diese Seite wurde zuletzt am
Dienstag 15 September, 2009 18:54
geändert.
© 2002 Wolfgang Appell
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