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Stellen Sie aus rund 25.000 Matheaufgaben von der 3. bis zur 13. Klasse Ihre eigenen Arbeitsblätter zusammen. Alle Aufgaben enthalten Lösungsschritte.

Exponentialmodelle aus Daten

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42829910
In einem Wildgehege wird der Bestand einer seltenen Hirschart beobachtet. Zu Beginn der Beobachtung umfasst das Gehege \(40\) Tiere. Nach genau einem Jahr ist der Bestand auf \(48\) Tiere angewachsen. Man geht davon aus, dass der Bestand jährlich exponentiell wächst. Bestimme eine Funktionsgleichung \(f(t)\), die die Anzahl der Hirsche nach \(t\) Jahren beschreibt.

Denkanstöße

- Überlege dir, welcher Wert den Bestand am Anfang beschreibt. - Wie verändert sich der Bestand von Jahr 0 zu Jahr 1 mathematisch gesehen? - Welche allgemeine Form hat eine Funktionsgleichung für exponentielles Wachstum? - Wie kannst du den Faktor berechnen, mit dem der Anfangswert multipliziert werden muss, um den Wert nach einem Jahr zu erhalten?

Lösung

1. Identifikation des Anfangswertes zum Zeitpunkt \(t = 0\): \(a = 40\). 2. Berechnung des Wachstumsfaktors \(b\) unter Verwendung des Wertes nach einem Jahr (\(t = 1\)): \(40 \cdot b^1 = 48\). 3. Auflösen der Gleichung nach \(b\): \(b = \frac{48}{40} = 1{,}2\). 4. Einsetzen des Anfangswertes und des Wachstumsfaktors in die allgemeine Form \(f(t) = ab^t\): \(f(t) = 40 \cdot 1{,}2^t\).

Antwort

\(f(t) = 40 \cdot 1{,}2^t\)
55244410
Bei einem Modellversuch wurden folgende auf ganze Einheiten gerundete Messwerte aufgenommen: <table> <tr><td>Zeit \(t\)</td><td>\(0\)</td><td>\(1\)</td><td>\(2\)</td><td>\(3\)</td><td>\(4\)</td></tr> <tr><td>Messwert</td><td>\(100\)</td><td>\(149\)</td><td>\(226\)</td><td>\(336\)</td><td>\(509\)</td></tr> </table> Untersuche, ob ein exponentielles Modell mit einem Faktor von ungefähr \(1{,}5\) pro Zeiteinheit zu den Messwerten plausibel ist. Berechne dazu die Quotienten aufeinanderfolgender Messwerte auf zwei Nachkommastellen und begründe deine Entscheidung.

Denkanstöße

- Bei einem exakt exponentiellen Modell wäre welcher Vergleich zwischen benachbarten Messwerten konstant? - Die Werte wurden gerundet. Musst du deshalb exakt gleiche Quotienten erwarten? - Entscheide nicht anhand eines einzelnen Quotienten, sondern betrachte die ganze Reihe.

Lösung

1. Die Quotienten sind \(\frac{149}{100}=1{,}49\), \(\frac{226}{149}\approx1{,}52\), \(\frac{336}{226}\approx1{,}49\) und \(\frac{509}{336}\approx1{,}51\). 2. Die Quotienten sind nicht exakt gleich, liegen aber alle nahe bei \(1{,}5\). Da die Messwerte gerundet sind, sind kleine Abweichungen zu erwarten. 3. Ein exponentielles Modell mit einem Faktor von ungefähr \(1{,}5\) ist deshalb für diese Messreihe plausibel.

Antwort

Die Quotienten sind ungefähr \(1{,}49\), \(1{,}52\), \(1{,}49\) und \(1{,}51\). Sie liegen alle nahe bei \(1{,}5\); daher ist ein exponentielles Modell mit Faktor etwa \(1{,}5\) plausibel.
55244910
Die Abbildung zeigt fünf auf Zehner gerundete Messwerte. Deshalb müssen die Punkte nicht exakt auf dem Graphen eines passenden Modells liegen. Welches der folgenden Modelle beschreibt die dargestellten Daten am besten? Begründe mit dem Anfangswert und mit mindestens zwei späteren Messpunkten. A: \(M(t)=50\cdot1{,}5^t\) B: \(M(t)=50+50t\) C: \(M(t)=70\cdot1{,}4^t\)
Abbildung zur Aufgabe 552449

Denkanstöße

- Nutze zuerst den Messpunkt bei \(t=0\), um einen Kandidaten auszuschließen. - Lies anschließend zwei spätere, beschriftete Messwerte aus der Abbildung ab und vergleiche sie mit den Modellwerten. - Erwarte wegen der angegebenen Rundung keine exakt konstanten Quotienten. - Entscheide nach der Passung mehrerer Punkte, nicht danach, ob ein Modell einen einzelnen Punkt genau trifft.

Lösung

1. Der erste Messpunkt liegt bei \(t=0\) und dem Wert \(50\). Modell C scheidet damit aus, weil es bei \(t=0\) den Wert \(70\) liefert. 2. Bei \(t=2\) zeigt die Abbildung den gerundeten Messwert \(110\). Modell A liefert \(50\cdot1{,}5^2=112{,}5\), während Modell B \(150\) liefert. Modell A liegt deutlich näher. 3. Bei \(t=3\) beträgt der Messwert \(170\). Modell A liefert \(168{,}75\), Modell B liefert \(200\). Auch hier passt Modell A besser. 4. Die Quotienten der gerundeten Messwerte sind wegen der Rundung nicht exakt konstant. Die Punkte liegen aber insgesamt nahe an einer Entwicklung mit Faktor etwa \(1{,}5\). Daher ist Modell A am besten geeignet.

Antwort

Modell A: \(M(t)=50\cdot1{,}5^t\). Es hat den passenden Anfangswert und liegt zum Beispiel bei \(t=2\) und \(t=3\) deutlich näher an den gerundeten Messpunkten als Modell B; Modell C hat bereits den falschen Anfangswert.
42584310
Eine invasive Wasserpflanze bedeckt zu Beginn einer Beobachtung eine Fläche von \(2\,\text{m}^2\). Nach genau einer Woche (7 Tage) ist die bedeckte Fläche auf \(10\,\text{m}^2\) angewachsen. Man geht davon aus, dass die tägliche Flächenzunahme einem exponentiellen Modell folgt, sodass die Flächeninhalte am Ende jedes Tages die Glieder einer geometrischen Folge bilden. Bestimme die sechs Flächenwerte für die Tage 1 bis 6 am Ende des jeweiligen Tages. Gib die Ergebnisse sowohl als exakte Ausdrücke mit Wurzeln als auch auf zwei Nachkommastellen gerundet an.

Denkanstöße

- Welche Art von Folge entsteht, wenn eine Größe in gleichen Zeitabständen immer mit demselben Faktor verändert wird? - Wie viele gleiche Wachstumsschritte liegen zwischen dem Anfangswert und dem Wert nach sieben Tagen? - Drücke den täglichen Faktor zunächst exakt aus, bevor du die Zwischenwerte berechnest.

Lösung

1. Der Anfangswert ist \(b_0=2\,\text{m}^2\), nach sieben Tagen gilt \(b_7=10\,\text{m}^2\). 2. Für den täglichen Wachstumsfaktor \(q\) gilt \(10 = 2q^7\), also \(q^7=5\) und damit \(q=\sqrt[7]{5}\). 3. Mit \(b_n=2(\sqrt[7]{5})^n\,\text{m}^2\) erhält man: Tag 1: \(2\sqrt[7]{5}\,\text{m}^2 \approx 2{,}52\,\text{m}^2\). Tag 2: \(2\sqrt[7]{5^2}\,\text{m}^2 \approx 3{,}17\,\text{m}^2\). Tag 3: \(2\sqrt[7]{5^3}\,\text{m}^2 \approx 3{,}99\,\text{m}^2\). Tag 4: \(2\sqrt[7]{5^4}\,\text{m}^2 \approx 5{,}02\,\text{m}^2\). Tag 5: \(2\sqrt[7]{5^5}\,\text{m}^2 \approx 6{,}31\,\text{m}^2\). Tag 6: \(2\sqrt[7]{5^6}\,\text{m}^2 \approx 7{,}95\,\text{m}^2\).

Antwort

Exakt: \(2\sqrt[7]{5}\,\text{m}^2\), \(2\sqrt[7]{5^2}\,\text{m}^2\), \(2\sqrt[7]{5^3}\,\text{m}^2\), \(2\sqrt[7]{5^4}\,\text{m}^2\), \(2\sqrt[7]{5^5}\,\text{m}^2\), \(2\sqrt[7]{5^6}\,\text{m}^2\). Gerundet: \(2{,}52\,\text{m}^2\), \(3{,}17\,\text{m}^2\), \(3{,}99\,\text{m}^2\), \(5{,}02\,\text{m}^2\), \(6{,}31\,\text{m}^2\), \(7{,}95\,\text{m}^2\).
42836910
Die Entwicklung einer Bakterienkultur unter idealen Laborbedingungen wurde über mehrere Stunden beobachtet. Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der Bakterien zu verschiedenen Zeitpunkten: <table> <tr><td>Zeit \(t\) (in Stunden)</td><td>\(0\)</td><td>\(1\)</td><td>\(2\)</td><td>\(3\)</td></tr> <tr><td>Anzahl \(N(t)\)</td><td>\(400\)</td><td>\(600\)</td><td>\(900\)</td><td>\(1350\)</td></tr> </table> a) Weise nach, dass die Bakterienanzahl exponentiell wächst, und bestimme den Wachstumsfaktor \(a\) sowie den Anfangswert \(b\). b) Gib eine Funktionsgleichung der Form \(N(t)=b\cdot a^t\) an. c) Berechne die voraussichtliche Anzahl der Bakterien nach \(5\) Stunden und nach \(8\) Stunden. Runde jeweils auf ganze Bakterien. d) Um wie viel Prozent nimmt die Anzahl der Bakterien pro Stunde zu?

Denkanstöße

- Vergleiche nicht nur die Differenzen, sondern auch die Quotienten aufeinanderfolgender Tabellenwerte. - Welcher Tabellenwert gehört zum Zeitpunkt \(t=0\), und welche Rolle spielt er im Funktionsterm? - Der Wachstumsfaktor lässt sich direkt in eine prozentuale Änderung übersetzen.

Lösung

1. Die Quotienten benachbarter Werte sind \(\frac{600}{400}=1{,}5\), \(\frac{900}{600}=1{,}5\) und \(\frac{1350}{900}=1{,}5\). Der konstante Quotient zeigt exponentielles Wachstum mit \(a=1{,}5\). 2. Bei \(t=0\) gilt \(N(0)=400\), also ist \(b=400\). Damit lautet das Modell \(N(t)=400\cdot1{,}5^t\). 3. \(N(5)=400\cdot1{,}5^5=3037{,}5\approx3038\) und \(N(8)=400\cdot1{,}5^8=10\,251{,}5625\approx10\,252\). 4. Aus \(a=1{,}5\) folgt eine Zunahme um \((1{,}5-1)\cdot100\,\%=50\,\%\) pro Stunde.

Antwort

a) \(a=1{,}5\), \(b=400\) b) \(N(t)=400\cdot1{,}5^t\) c) Nach \(5\) Stunden etwa \(3038\) Bakterien; nach \(8\) Stunden etwa \(10\,252\) Bakterien d) \(50\,\%\) pro Stunde
42837710
Bestimme die Basis \(b\) (\(b > 0\)) der Exponentialfunktion mit der Gleichung \(y = b^x\), deren Graph durch den jeweils angegebenen Punkt verläuft. a) \(P(4; 81)\) b) \(Q(-3; 0{,}125)\) c) \(R(1{,}5; 8)\)

Denkanstöße

- Was bedeuten die Koordinaten eines Punktes für die Funktionsgleichung? - Wie kannst du eine Gleichung nach der Basis auflösen, wenn diese eine Hochzahl hat? - Erinnere dich an die Potenzgesetze, insbesondere für negative und rationale Exponenten. - Kannst du die Dezimalzahlen in Brüche umwandeln, um die Wurzeln leichter zu erkennen?

Lösung

1. Einsetzen der Koordinaten des Punktes \(P(x; y)\) in die Funktionsgleichung \(y = b^x\) und Auflösen nach \(b\). 2. Für \(P(4; 81)\): \(81 = b^4 \implies b = \sqrt[4]{81} = 3\). 3. Für \(Q(-3; 0{,}125)\): \(0{,}125 = b^{-3} \implies \frac{1}{8} = \frac{1}{b^3} \implies b^3 = 8 \implies b = 2\). 4. Für \(R(1{,}5; 8)\): \(8 = b^{1{,}5} \implies 8 = b^{\frac{3}{2}} \implies b = 8^{\frac{2}{3}} = \sqrt[3]{8^2} = \sqrt[3]{64} = 4\).

Antwort

a) \(b = 3\) b) \(b = 2\) c) \(b = 4\)
42837810
Eine Exponentialfunktion hat die Form \(f(x) = ca^x\). Bestimme die Parameter \(c\) und \(a\) (\(a > 0\)) für die folgenden Fälle: a) Der Graph verläuft durch die Punkte \(A(0; 7)\) und \(B(2; 63)\). b) Der Graph verläuft durch die Punkte \(A(0; 200)\) und \(B(-1; 50)\).

Denkanstöße

- Welchen Wert hat jede Basis hoch null? Wie hilft dir das beim ersten Punkt? - Setze den gefundenen Wert für \(c\) in die allgemeine Form ein, bevor du den zweiten Punkt nutzt. - Wie löst man eine Gleichung auf, in der die Unbekannte im Nenner steht oder ein Quadrat ist?

Lösung

1. Nutze den Punkt mit \(x = 0\), um den Startwert \(c\) direkt zu bestimmen, da \(a^0 = 1\) gilt. 2. Setze \(c\) und den zweiten Punkt in die Gleichung ein, um \(a\) zu berechnen. 3. Fall a): \(f(0) = 7 \implies c = 7\). Einsetzen von \(B(2; 63)\): \(63 = 7 \cdot a^2 \implies 9 = a^2 \implies a = 3\). 4. Fall b): \(f(0) = 200 \implies c = 200\). Einsetzen von \(B(-1; 50)\): \(50 = 200 \cdot a^{-1} \implies 50 = \frac{200}{a} \implies a = \frac{200}{50} = 4\).

Antwort

a) \(c = 7\); \(a = 3\) b) \(c = 200\); \(a = 4\)
42848510
Ein Graph einer Exponentialfunktion der Form \(f(x) = ca^x\) verläuft durch die Punkte \(A(2; 18)\) und \(B(4; 162)\). Ermittle die Funktionsgleichung dieser Funktion. Bestimme anschließend die fehlenden \(y\)-Koordinaten für die Punkte \(C(0; y_C)\) und \(D(-1; y_D)\), die ebenfalls auf dem Graphen liegen.

Denkanstöße

- Kannst du die Koordinaten der Punkte in die allgemeine Funktionsgleichung einsetzen, um zwei Gleichungen zu erhalten? - Wie kannst du durch Division der beiden Gleichungen eine der Unbekannten eliminieren? - Denke daran, dass die Basis einer Exponentialfunktion immer positiv sein muss. - Wenn du die Funktionsgleichung hast, wie findest du dann den Funktionswert an einer bestimmten Stelle?

Lösung

1. Aufstellen eines Gleichungssystems mit den gegebenen Punkten: \(18 = ca^2\) und \(162 = ca^4\). 2. Division der Gleichungen führt zu \(\frac{162}{18} = \frac{ca^4}{ca^2}\), woraus \(9 = a^2\) folgt. Da bei Exponentialfunktionen \(a > 0\) gilt, ergibt sich \(a = 3\). 3. Einsetzen von \(a = 3\) in die erste Gleichung: \(18 = c \cdot 3^2 = 9c\), woraus \(c = 2\) resultiert. Die Funktionsgleichung lautet \(f(x) = 2 \cdot 3^x\). 4. Berechnung der fehlenden Koordinaten durch Einsetzen der \(x\)-Werte: \(y_C = f(0) = 2 \cdot 3^0 = 2 \cdot 1 = 2\) und \(y_D = f(-1) = 2 \cdot 3^{-1} = 2 \cdot \frac{1}{3} = \frac{2}{3}\).

Antwort

Die Funktionsgleichung lautet \(f(x) = 2 \cdot 3^x\). Die fehlenden Koordinaten sind \(y_C = 2\) und \(y_D = \frac{2}{3}\).
55244510
In einem Modellversuch wurden zu fünf aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Werte \(80\), \(109\), \(146\), \(198\) und \(270\) gemessen. Schätze einen konstanten Wachstumsfaktor \(a\), indem du nur den ersten und den letzten Messwert über die vier gleich langen Zeitintervalle verwendest. Runde \(a\) auf drei Nachkommastellen. Stelle damit ein Modell \(M(t)=80\cdot a^t\) auf und vergleiche den Modellwert für \(t=2\) mit dem Messwert \(146\). Runde den Modellwert auf zwei Nachkommastellen.

Denkanstöße

- Zwischen dem ersten und dem letzten Wert liegen vier gleich lange Wachstumsintervalle. - Welcher Potenz von \(a\) entspricht deshalb der gesamte Faktor vom ersten zum letzten Messwert? - Verwende für den Vergleich möglichst den ungerundeten Faktor und runde erst das Endergebnis.

Lösung

1. Über vier gleiche Schritte gilt \(80a^4=270\). Also ist \(a=\sqrt[4]{\frac{270}{80}}=\sqrt[4]{\frac{27}{8}}\approx1{,}355\). 2. Das geschätzte Modell lautet \(M(t)=80\cdot\left(\sqrt[4]{\frac{27}{8}}\right)^t\), näherungsweise \(M(t)=80\cdot1{,}355^t\). 3. Mit dem ungerundeten Faktor ergibt sich \(M(2)\approx146{,}97\). Der gemessene Wert ist \(146\); die Abweichung beträgt also nur etwa \(0{,}97\).

Antwort

\(a\approx1{,}355\); \(M(t)=80\cdot\left(\sqrt[4]{\frac{27}{8}}\right)^t\). Für \(t=2\) gilt \(M(2)\approx146{,}97\), also liegt das Modell etwa \(0{,}97\) über dem Messwert.
55244610
Die Abbildung zeigt fünf Messpunkte sowie zwei vorgeschlagene Modelle für dieselbe Messreihe. Die Zahlen an den Messpunkten geben die gemessenen Werte an. Lineares Modell: \(L(t)=52+19t\) Exponentielles Modell: \(E(t)=52\cdot1{,}25^t\) a) Entscheide zunächst anhand der Abbildung, welches Modell die Messpunkte insgesamt besser beschreibt. b) Überprüfe deine Entscheidung rechnerisch für \(t=2\) und \(t=3\). Berechne dort jeweils die absolute Abweichung beider Modelle vom abgelesenen Messwert. c) Begründe, warum ein einzelner exakt getroffener Messpunkt noch nicht ausreicht, um ein Modell als besser passend zu beurteilen.
Abbildung zur Aufgabe 552446

Denkanstöße

- Achte im Bild darauf, welche Modellkurve über mehrere Zeitpunkte nahe an den Messpunkten bleibt. - Lies die beschrifteten Messwerte bei \(t=2\) und \(t=3\) ab und vergleiche sie mit beiden Modellwerten. - Verwende für die Abweichung den Betrag der Differenz zwischen Modellwert und Messwert. - Überlege bei c), ob ein Modell, das nur einen Punkt trifft, deshalb schon die Entwicklung zwischen den übrigen Punkten gut beschreibt.

Lösung

1. In der Abbildung verläuft die exponentielle Kurve durchgehend nahe an den Messpunkten, während die lineare Gerade besonders in der Mitte sichtbar höher liegt. 2. Bei \(t=2\) beträgt der Messwert \(82\). Das lineare Modell liefert \(L(2)=90\), also eine absolute Abweichung von \(8\). Das exponentielle Modell liefert \(E(2)=52\cdot1{,}25^2=81{,}25\), also eine Abweichung von \(0{,}75\). 3. Bei \(t=3\) beträgt der Messwert \(102\). Es gilt \(L(3)=109\), also beträgt die Abweichung \(7\). Für das exponentielle Modell ist \(E(3)=52\cdot1{,}25^3=101{,}5625\), also beträgt die Abweichung \(0{,}4375\). 4. An beiden überprüften Zeitpunkten liegt \(E\) deutlich näher am Messwert; auch die übrigen Punkte liegen in der Abbildung nahe an \(E\). Deshalb beschreibt das exponentielle Modell die Messreihe besser. 5. Ein einzelner Treffer kann zufällig oder durch die Wahl der Modellparameter entstehen. Für eine Modellentscheidung muss die Passung über mehrere Messpunkte betrachtet werden.

Antwort

a) Das exponentielle Modell \(E\) passt insgesamt besser. b) Bei \(t=2\): Abweichung \(L\): \(8\), Abweichung \(E\): \(0{,}75\). Bei \(t=3\): Abweichung \(L\): \(7\), Abweichung \(E\): \(0{,}4375\). c) Ein einzelner Treffer bewertet nicht die Passung der gesamten Messreihe; mehrere Messpunkte müssen berücksichtigt werden.
55244710
Für eine Messreihe wurden zunächst nur die Werte \(N(0)=150\) und \(N(2)=216\) verwendet. Daraus soll ein exponentielles Modell \(N(t)=150\cdot a^t\) bestimmt werden. a) Bestimme den Faktor \(a\). b) Eine spätere, beim Aufstellen des Modells nicht verwendete Kontrollmessung ist in der Abbildung als Punkt \(P\) markiert. Lies ihren Wert bei \(t=4\) ab. c) Berechne den Modellwert für \(t=4\) und die relative Abweichung vom Kontrollmesswert in Prozent. Runde auf zwei Nachkommastellen. d) Für die Auswertung gilt: Eine relative Abweichung von höchstens \(5\,\%\) wird als akzeptabel betrachtet. Besteht das Modell diesen Test?
Abbildung zur Aufgabe 552447

Denkanstöße

- Die beiden Werte zum Aufstellen des Modells liegen zwei Zeiteinheiten auseinander. Welcher Potenz des Faktors entspricht ihr Verhältnis? - Lies den späteren Kontrollmesswert direkt am markierten Punkt \(P\) ab; er wurde nicht zum Bestimmen des Modells verwendet. - Vergleiche Modellwert und Kontrollmesswert erst nach dem Aufstellen des Modells. - Für die relative Abweichung ist der gemessene Kontrollwert der Bezugswert.

Lösung

1. Aus \(216=150a^2\) folgt \(a^2=1{,}44\) und damit \(a=1{,}2\). 2. Aus der Abbildung liest man für den Kontrollpunkt \(P\) bei \(t=4\) den Messwert \(300\) ab. 3. Das Modell lautet \(N(t)=150\cdot1{,}2^t\). Für \(t=4\) ergibt sich \(N(4)=150\cdot1{,}2^4=311{,}04\). 4. Die absolute Abweichung vom Kontrollmesswert beträgt \(311{,}04-300=11{,}04\). Relativ zum Messwert sind das \(\frac{11{,}04}{300}\cdot100\,\%=3{,}68\,\%\). 5. Da \(3{,}68\,\%\le5\,\%\) ist, besteht das Modell den vorgegebenen Test.

Antwort

a) \(a=1{,}2\) b) \(N(4)=300\) als Kontrollmesswert. c) Modellwert \(311{,}04\); relative Abweichung \(3{,}68\,\%\). d) Ja. Die Abweichung liegt unter \(5\,\%\).
42835410
Eine tiefgekühlte Torte mit einer Temperatur von \(-18\,^\circ\text{C}\) wird zum Auftauen in eine Küche mit \(22\,^\circ\text{C}\) gestellt. Der Temperaturunterschied zwischen der Torte und der Umgebung verringert sich exponentiell. Nach \(10\) Minuten beträgt der Temperaturunterschied nur noch \(32\,^\circ\text{C}\). a) Bestimme den anfänglichen Temperaturunterschied. b) Ermittle den Abnahmefaktor \(a\) pro Minute und gib eine Funktionsgleichung für den Temperaturunterschied \(D(t)\) an. Runde \(a\) auf vier Nachkommastellen. c) Berechne die Temperatur der Torte nach \(30\) Minuten. Runde auf zwei Nachkommastellen. d) Bestimme den Temperaturunterschied nach \(0\), \(20\), \(40\) und \(60\) Minuten. Runde, falls nötig, auf zwei Nachkommastellen.

Denkanstöße

- Achte beim Anfangsunterschied auf das Vorzeichen der Minustemperatur. - Nutze die Angabe nach \(10\) Minuten zunächst für einen Zehn-Minuten-Schritt; daraus kannst du den Faktor pro Minute bestimmen. - Die Torte nähert sich der Umgebungstemperatur von unten. Wie erhältst du ihre Temperatur aus dem verbleibenden Temperaturunterschied? - Für die Wertetabelle kannst du ausnutzen, dass der Unterschied nach jeweils \(10\) Minuten mit demselben Faktor verändert wird.

Lösung

1. Der anfängliche Temperaturunterschied beträgt \(D(0)=22-(-18)=40\,^\circ\text{C}\). 2. Aus \(40a^{10}=32\) folgt \(a^{10}=0{,}8\) und damit \(a=\sqrt[10]{0{,}8}\approx0{,}9779\). Somit gilt exakt \(D(t)=40\left(\sqrt[10]{0{,}8}\right)^t\). 3. Nach \(30\) Minuten ist \(D(30)=40\cdot0{,}8^3=20{,}48\,^\circ\text{C}\). Die Torte hat daher die Temperatur \(22-20{,}48=1{,}52\,^\circ\text{C}\). 4. Es gilt \(D(0)=40\,^\circ\text{C}\), \(D(20)=40\cdot0{,}8^2=25{,}60\,^\circ\text{C}\), \(D(40)=40\cdot0{,}8^4=16{,}384\,^\circ\text{C}\approx16{,}38\,^\circ\text{C}\) und \(D(60)=40\cdot0{,}8^6=10{,}48576\,^\circ\text{C}\approx10{,}49\,^\circ\text{C}\).

Antwort

a) \(40\,^\circ\text{C}\) b) \(a=\sqrt[10]{0{,}8}\approx0{,}9779\); \(D(t)=40\left(\sqrt[10]{0{,}8}\right)^t\) c) \(1{,}52\,^\circ\text{C}\) d) \(D(0)=40\,^\circ\text{C}\), \(D(20)=25{,}60\,^\circ\text{C}\), \(D(40)\approx16{,}38\,^\circ\text{C}\), \(D(60)\approx10{,}49\,^\circ\text{C}\)
42837010
Der Wertverlust eines hochwertigen E-Bikes lässt sich durch eine Exponentialfunktion beschreiben. In der Tabelle sind die Schätzwerte für den Restwert nach einigen Jahren aufgeführt: <table> <tr><td>Zeit \(t\) (in Jahren)</td><td>\(0\)</td><td>\(2\)</td><td>\(4\)</td></tr> <tr><td>Wert \(V(t)\) (in \(\text{€}\))</td><td>\(1200\)</td><td>\(768\)</td><td>\(491{,}52\)</td></tr> </table> a) Bestimme den jährlichen Abnahmefaktor \(a\) und stelle die Funktionsgleichung \(V(t)=b\cdot a^t\) auf. b) Welchen Wert hat das E-Bike voraussichtlich nach \(6\) Jahren? Runde auf Cent. c) Wie viel war das E-Bike ein Jahr vor dem Zeitpunkt \(t=0\) wert, wenn man von demselben Modell ausgeht? d) Berechne den Wert nach \(10\) Jahren auf Cent und gib an, wie viel Prozent des ursprünglichen Wertes dann noch vorhanden sind. Runde den Prozentsatz auf zwei Nachkommastellen.

Denkanstöße

- Die Tabellenwerte liegen jeweils zwei Jahre auseinander. Bestimme deshalb zuerst den Faktor für zwei Jahre. - Ein negativer Zeitwert bedeutet hier, das Modell rückwärts anzuwenden. - Für den prozentual verbleibenden Anteil brauchst du den Startwert nicht erneut auszurechnen; betrachte den Faktor über die gesamte Zeit.

Lösung

1. Für zwei Jahre beträgt der Faktor \(\frac{768}{1200}=0{,}64\). Daher gilt \(a^2=0{,}64\) und somit \(a=\sqrt{0{,}64}=0{,}8\). 2. Der Anfangswert ist \(b=1200\,\text{€}\). Das Modell lautet \(V(t)=1200\cdot0{,}8^t\). 3. \(V(6)=1200\cdot0{,}8^6=314{,}5728\,\text{€}\approx314{,}57\,\text{€}\). 4. \(V(-1)=1200\cdot0{,}8^{-1}=1500\,\text{€}\). 5. \(V(10)=1200\cdot0{,}8^{10}=128{,}84901888\,\text{€}\approx128{,}85\,\text{€}\). 6. Der verbleibende Anteil ist \(0{,}8^{10}\cdot100\,\%\approx10{,}74\,\%\).

Antwort

a) \(a=0{,}8\); \(V(t)=1200\cdot0{,}8^t\) b) \(314{,}57\,\text{€}\) c) \(1500\,\text{€}\) d) \(128{,}85\,\text{€}\); etwa \(10{,}74\,\%\) des Anfangswertes
42848610
Die Parameter \(a\) und \(c\) einer Exponentialfunktion mit der Gleichung \(y = ca^x\) sollen so bestimmt werden, dass der Graph durch die Punkte \(P(1; 4)\) und \(Q(-2; 32)\) verläuft. Berechne die Werte für \(a\) und \(c\) und vervollständige die Koordinaten der Punkte \(R(2; \square)\) und \(S(-3; \square)\), sofern diese auf dem Graphen der Funktion liegen.

Denkanstöße

- Stelle für jeden Punkt eine Gleichung auf. - Kannst du eine Variable isolieren und in die andere Gleichung einsetzen? - Was bedeutet ein negativer Exponent für die Berechnung der Basis? - Setze die bekannten \(x\)-Werte in deine fertige Funktionsgleichung ein, um die \(y\)-Werte zu erhalten.

Lösung

1. Einsetzen der Punktkoordinaten in die Funktionsgleichung: \(4 = ca^1\) und \(32 = ca^{-2}\). 2. Auflösen nach \(c\) aus der ersten Gleichung: \(c = \frac{4}{a}\). Einsetzen in die zweite Gleichung: \(32 = \frac{4}{a} \cdot a^{-2} = 4 \cdot a^{-3} = \frac{4}{a^3}\). 3. Umstellen nach \(a^3\): \(a^3 = \frac{4}{32} = \frac{1}{8} = 0{,}125\). Ziehen der Kubikwurzel ergibt \(a = 0{,}5\). 4. Bestimmen von \(c\): \(c = \frac{4}{0{,}5} = 8\). Die Gleichung ist \(y = 8 \cdot 0{,}5^x\). 5. Berechnung der \(y\)-Koordinaten: Für \(x = 2\) ist \(y = 8 \cdot 0{,}5^2 = 8 \cdot 0{,}25 = 2\). Für \(x = -3\) ist \(y = 8 \cdot 0{,}5^{-3} = 8 \cdot 8 = 64\).

Antwort

Die Parameter sind \(a = 0{,}5\) und \(c = 8\). Die vervollständigten Punkte lauten \(R(2; 2)\) und \(S(-3; 64)\).
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In einer Kleinstadt mit \(20\,000\) Einwohnern wird ein neuer Carsharing-Dienst angeboten. Zu Beginn gibt es \(2000\) angemeldete Nutzer. Das Unternehmen schätzt, dass pro Monat \(20\,\%\) der Einwohner, die noch nicht angemeldet sind, als neue Kunden gewonnen werden können. a) Berechne die Anzahl der Nutzer für die ersten drei Monate und trage sie in die Tabelle ein. <table> <tr><th>Monat \(x\)</th><td>0</td><td>1</td><td>2</td><td>3</td></tr> <tr><th>Nutzer \(N(x)\)</th><td>2000</td><td>...</td><td>...</td><td>...</td></tr> </table> b) Bestimme die Funktionsgleichung für die Nutzerzahl \(N(x)\) nach \(x\) Monaten. c) Wie viele Nutzer werden laut diesem Modell nach einem Jahr (\(x = 12\)) etwa erwartet? Erläutere anhand des Graphen, warum die Nutzerzahl niemals die \(20\,000\) überschreiten kann.
Abbildung zur Aufgabe 433514

Denkanstöße

- Überlege für jeden Monat: Wie viele Menschen haben die App noch nicht? - Nimm von diesen „Nicht-Nutzern“ \(20\,\%\) und addiere sie zur bisherigen Nutzerzahl. - Die Formel für dieses Wachstum sieht so aus: Sättigungswert minus Restdifferenz, die exponentiell abnimmt. - Was passiert im Graphen, wenn die Kurve sich der oberen gestrichelten Linie nähert?

Lösung

1. Berechnung der Nutzerzahlen: - Monat 0: \(2000\) - Monat 1: \(2000 + 0{,}20 \cdot (20\,000 - 2000) = 2000 + 3600 = 5600\) - Monat 2: \(5600 + 0{,}20 \cdot (20\,000 - 5600) = 5600 + 2880 = 8480\) - Monat 3: \(8480 + 0{,}20 \cdot (20\,000 - 8480) = 8480 + 2304 = 10\,784\) 2. Die Funktionsgleichung für beschränktes Wachstum lautet allgemein \(N(x) = S - (S - N_0)(1 - k)^x\). Hier: \(S = 20\,000\), \(N_0 = 2000\), \(k = 0{,}20\). Also \(N(x) = 20\,000 - 18\,000 \cdot 0{,}8^x\). 3. Nutzerzahl nach 12 Monaten: \(N(12) = 20\,000 - 18\,000 \cdot 0{,}8^{12} \approx 20\,000 - 18\,000 \cdot 0{,}0687 \approx 18\,763\). 4. Da die Anzahl der Neuanmeldungen immer ein Bruchteil des noch verfügbaren Potentials ist und dieses Potential (die Differenz zu \(20\,000\)) zwar immer kleiner wird, aber theoretisch nie ganz verschwindet, nähert sich der Graph der Grenze von \(20\,000\) nur an, ohne sie zu erreichen oder zu überschreiten.

Antwort

a) Die Nutzerzahlen sind: Monat 1: \(5600\); Monat 2: \(8480\); Monat 3: \(10\,784\). b) Die Funktionsgleichung lautet \(N(x) = 20\,000 - 18\,000 \cdot 0{,}8^x\). c) Nach einem Jahr werden ca. \(18\,763\) Nutzer erwartet. Da die Zunahme proportional zum noch verfügbaren Potential ist, nähert sich die Kurve der Kapazitätsgrenze von \(20\,000\) Einwohnern nur asymptotisch an, kann sie aber nicht überschreiten, da es nicht mehr als \(20\,000\) Einwohner gibt.
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Eine Messreihe enthält die drei Werte <table> <tr><td>Zeit \(t\)</td><td>\(0\)</td><td>\(2\)</td><td>\(4\)</td></tr> <tr><td>Messwert</td><td>\(80\)</td><td>\(126\)</td><td>\(205\)</td></tr> </table> Zwei Gruppen stellen unterschiedliche exponentielle Modelle auf: Modell A verwendet die Messwerte bei \(t=0\) und \(t=4\): \(A(t)=80\cdot\left(\frac{205}{80}\right)^{\frac{t}{4}}\). Modell B verwendet die Messwerte bei \(t=0\) und \(t=2\): \(B(t)=80\cdot\left(\frac{126}{80}\right)^{\frac{t}{2}}\). a) Gib für jedes Modell an, welcher Messpunkt beim Aufstellen nicht verwendet wurde. b) Prüfe jedes Modell genau an diesem nicht verwendeten Messpunkt. Berechne die relative Abweichung vom Messwert und runde sie auf eine Nachkommastelle. c) Welches Modell schneidet nach diesem Validierungskriterium besser ab? d) Erkläre, warum diese Entscheidung trotz des Vergleichs noch vorläufig bleibt und wie man sie mit weiteren Messdaten zuverlässiger machen könnte.

Denkanstöße

- Trenne bei jedem Modell die Messwerte, die zum Festlegen der Parameter benutzt wurden, von dem Messwert, der zur Kontrolle übrig bleibt. - Setze für Modell A nur \(t=2\) und für Modell B nur \(t=4\) ein. - Vergleiche die Abweichungen relativ zum jeweiligen Messwert, weil die beiden Kontrollwerte unterschiedlich groß sind. - Überlege bei d), wie sicher eine Modellentscheidung ist, die auf nur einem Kontrollpunkt pro Modell beruht.

Lösung

1. Modell A verwendet die Messwerte bei \(t=0\) und \(t=4\); nicht verwendet wurde der Punkt \((2\mid126)\). Modell B verwendet \(t=0\) und \(t=2\); nicht verwendet wurde der Punkt \((4\mid205)\). 2. Für Modell A gilt \(A(2)=80\cdot\sqrt{\frac{205}{80}}=\sqrt{80\cdot205}\approx128{,}06\). Die relative Abweichung vom Messwert \(126\) beträgt \(\frac{|128{,}06-126|}{126}\cdot100\,\%\approx1{,}6\,\%\). 3. Für Modell B gilt \(B(4)=80\cdot\left(\frac{126}{80}\right)^2=198{,}45\). Die relative Abweichung vom Messwert \(205\) beträgt \(\frac{|198{,}45-205|}{205}\cdot100\,\%\approx3{,}2\,\%\). 4. Nach diesem Validierungskriterium schneidet Modell A besser ab, weil seine relative Abweichung am nicht verwendeten Punkt kleiner ist. 5. Die Entscheidung bleibt vorläufig, weil jedes Modell nur an einem einzelnen zurückgehaltenen Messpunkt geprüft wurde und die Prüfzeitpunkte verschieden sind. Weitere Messpunkte, die bei keiner Modellbildung verwendet wurden, würden einen belastbareren Vergleich ermöglichen.

Antwort

a) Modell A: nicht verwendet \((2\mid126)\). Modell B: nicht verwendet \((4\mid205)\). b) Modell A: etwa \(1{,}6\,\%\) relative Abweichung. Modell B: etwa \(3{,}2\,\%\). c) Nach diesem Kriterium schneidet Modell A besser ab. d) Die Aussage ist vorläufig, weil jeweils nur ein anderer, nicht verwendeter Messpunkt geprüft wird. Zusätzliche unabhängige Kontrollmessungen würden den Vergleich zuverlässiger machen.

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