Exponentielles Wachstum und exponentielle Abnahme
In diesem Text erklären wir dir, was die exponentielle Zunahme und die exponentielle Abnahme sind und lösen dazu Rechenbeispiele.
Definition
Die exponentielle Zunahme wird auch als exponentielles Wachstum und die exponentielle Abnahme wird auch als exponentieller Zerfall bezeichnet. Es handelt sich um Prozesse, bei denen ein Anfangsbestand pro Zeiteinheit mit dem Faktor $a$ vervielfacht wird.
Ein Beispiel für die exponentielle Zunahme ist die Vermehrung von Bakterien. Zu Beginn gibt es ein ein Bakterium, welches sich nach einer Stunde verdoppelt hat. Nach Ablauf der zweiten Stunde haben sich die beiden Bakterien wieder jeweils verdoppelt; es sind nun vier Bakterien. Nach 5 Stunden ist die Anzahl der Bakterien auf $32$ gestiegen und nach 10 Stunden auf insgesamt $1024$ Bakterien. Wie du siehst, wächst die Anzahl sehr schnell. Schauen wir uns den Funktionsgraphen dazu an:
Abbildung: exponentielles Wachstum (Bakterienwachstum)
Wie sieht die Funktionsgleichung dieser Funktion aus? Schauen wir uns zuerst die allgemeine Form an:
Methode
Bei der exponentiellen Zunahme und Abnahme ist die Variable im Exponenten. Die Basis ist die Änderungsrate, $a$. Die Variable steht meistens für die Zeit und wird daher meistens mit $t$ abgekürzt. Die entsprechende Formel zum exponentiellen Wachstum bzw. Zerfall sieht dann so aus:
$N (t) = N_0⋅a ^t$
Dabei ist:
| $N(t)$ | Wert zum Zeitpunkt $t$ |
| $N _0$ | Anfangswert; ursprünglicher Bestand (zum Zeitpunkt t=0) |
| $a$ | Änderungsrate |
| $t$ | Zeit |
Wenden wir dies auf unser Beispiel des Bakterienwachstums an: Der Anfangswert ($N_0$) beträgt $1$ und die Änderungsrate $a$ ist $2$, da sich die Bakterien verdoppeln. Damit können wir die Funktionsgleichung aufstellen:
$ N(t) = 1 \cdot 2 ^t$
oder kürzer geschrieben:
$ N(t) = 2 ^t$
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Exponentielle Zunahme - Wachstum
Weitere Beispiele für das exponentielle Wachstum sind: das Wachstum von Bevölkerungen oder auch das Wachstum von Zinsen bei der Zinseszinsrechnung .
Beim exponentiellen Wachstum ist die Änderungsrate größer als 1:
$a>1$
Je größer die Änderungsrate, desto schneller wächst die Funktion.
Die Zunahme kann übrigens auch in Prozent angegeben werden:
$N(t) = N_0 \cdot (1+\frac{p}{100})^t$, wobei gilt: $a = 1+\frac{p}{100}$
Dabei ist $p$ der Prozentsatz. Der Prozentsatz beschreibt das Wachstum prozentual.
Bezogen auf das Beispiel zum exponentiellen Wachstum der Bakterien:
Die Anzahl der Bakterien hat sich hier stündlich verdoppelt, also:
$a=2~~~\rightarrow~~~1+\frac{p}{100}=2~~~\rightarrow~~~p=100$
Die Bakterien vermehren sich stündlich um 100%.
Exponentielle Abnahme - Zerfall
Beim exponentiellen Zerfall liegt die Änderungsrate zwischen $0$ und $1$:
0 < a < 1
Für die allgemeine Funktionsgleichung gibt es wieder zwei Formeln, je nachdem, ob man mit der Änderungsrate ($a$) oder mit der prozentualen Abnahme ($p$) rechnen möchte:
$ N(t) = N_0 \cdot a ^{ t}$ bzw. $N(t)=N_0 (1-\frac{p}{100}) ^t$
Dabei ist $p$ der Prozentsatz, um den sich der Anfangswert verringert. Bei einer Abnahme von $20\%$ ist $p=20$ und $a = 1 - 0,2 = 0,8$.
Beispiel
Bei einem chemischen Stoff zerfällt jedes Jahr $10 \%$ der Masse. Anfangs ist der Stoff $50~kg$ schwer.
Wie viel Masse ist jeweils nach $2$, $5$ und $20$ Jahren noch vorhanden?
Zunächst müssen wir die Funktionsgleichung aufstellen. Es gilt:
$N_0 = 50~kg$
Es handelt sich um eine Abnahme von jährlich $10\%$: $ a = 1-\frac{10}{100}=1-0,1=0,9$
Wir erhalten die Funktionsgleichung:
$ N(t) = 50 \cdot 0,9^t$
Mit Hilfe der Funktionsgleichung können wir die Fragen beantworten:
Nach 2 Jahren:
$N(2) = 50 \cdot 0,9^2 = 40,5~kg$
Nach $5$ Jahren:
$N(5) = 50 \cdot 0,9^5 \approx 29,5~kg$
Nach $20$ Jahren:
$N(20)$ = $50$ · $0,9$$20$ ≈ $6,1~kg$
Die entsprechende Funktion sieht so aus:
Abbildung: exponentielle Abnahme (Zerfall der Masse)
In den Übungsaufgaben kannst du dein neu erworbenes Wissen über exponentielles Wachstum und exponentielle Abnahme vertiefen. Viel Erfolg dabei!
Video: Simon Wirth
Text: Chantal Rölle
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Urheber: Simon Wirth, Fabian Serwitzki, Frank Kreuzinger, selbständiger Diplompädagoge, Pirna (Lektorat, fachliche Textkorrekturen und Grafikerstellung)
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