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Aufgaben zur Anwendung der Differential- und Integralrechnung

  1. 1

    Modelliere jeweils durch einen entsprechenden Funktionsterm  f(x)\mathrm f(\mathrm x) :

    1. Die Tabelle zeigt die Entwicklung des ökologischen Landbaus in Deutschland:

      Jahr

      1984

      1990

      1996

      2002

      Fläche in 1000 ha

      22

      84

      313

      632

      Falls die Entwicklung von 1990 bis 1996 durch eine Exponentialfunktion der Bauart  f(x)=84axf(x)=84\, a^ x beschrieben wird, wie lautet dann die Basis aa und wie ist dieser Wert zu interpretieren?

      Überprüfe, ob die Daten von 1984 und 2002 zu dieser Modellierung passen.

      Wann (in der Vergangenheit) startete nach diesem Modell die Fläche bei 0 ha?

    2. Von einem radioaktiven Element sind anfangs 20 000 Atomkerne vorhanden, nach 183 Sekunden ist nur noch 110\frac{1}{10} davon vorhanden.

      Wann ist nur die Hälfte vorhanden (Halbwertszeit)?

    3. Ein Hersteller von Bleistiften hat anfangs 20 000 Stifte in seinem Lager,

      nach 183 Tagen ist (bei gleichmäßiger Nachfrage seitens der Kunden) nur noch 110\frac{1}{10} davon vorrätig, wenn währenddessen keine Stifte produziert werden.

      Ergibt sich eine lineare oder exponentielle Abnahme für  f(x)=f(x)= Vorrat nach xx Tagen?

  2. 2

    Zeichne mit Hilfe einer Wertetabelle die Graphen zu f(x)=2,5x\mathrm f(\mathrm x)=2{,}5^\mathrm xg(x)=2,5x1\mathrm g(\mathrm x)=2{,}5^{\mathrm x-1} und h(x)=0,4x\mathrm h(\mathrm x)=0{,}4^\mathrm x .

    Vergleiche die Graphen.

    Löse die Gleichung 2,5x=52{,}5^\mathrm x=5 graphisch.

  3. 3

    Bei einem radioaktiven Stoff zerfällt jedes Jahr 10% der noch vorhandenen Masse. Berechne, wie viel nach 10 Jahren noch vorhanden ist.

  4. 4

    Derzeit gibt es kein politisches System auf der Erde, das nicht auf Wirtschaftswachstum setzt. 4 %4\ \% Wachstum gelten als wünschenswert und maßvoll: also jedes Jahr 4 %4\ \% mehr im Vergleich zum Vorjahr. Um wie viel Prozent wäre also bei diesem Wachstum die Wirtschaft nach…

    1. … 2 Jahren gewachsen?

    2. … 10 Jahren gewachsen?

    3. … 50 Jahren gewachsen?

  5. 5

    Hans eröffnet am 1. Januar ein Konto und zahlt darauf 500 €500\ € ein.

    Er erhält jährlich 2,5 %2{,}5\ \% Zinsen, die er am Ende des Jahres jeweils auf das Konto gutschreiben lässt

    1. Wie lautet der Kontostand nach 1, 2, 5 bzw. 10 Jahren?

    2. Wie lange müsste Hans warten, damit sich sein Anfangskapital von 500 €500\ € verdoppelt hat?

  6. 6

    Bakterien vermehren sich durch Teilung, wobei sich eine Bakterienzelle durchschnittlich alle 10 Minuten teilt. Zum Zeitpunkt t=0t=0 sei genau eine Bakterienzelle vorhanden.

    1. Wie viele Bakterien sind dann nach 1 Stunde, 2 Stunden, 6 Stunden, 12 Stunden bzw. 24 Stunden vorhanden?

    2. Finde eine Formel für die Anzahl N=N(t)N= N(t) der Bakterien nach der Zeit tt.

    3. Eine Bakterienzelle hat ein Volumen von ca. 21018  m32 \cdot 10^{-18}\;\mathrm m^3. Wie lange dauert es, bis die Bakterienkultur ein Volumen von 1 m31\ m^3 bzw. 1 km31\ km^3 einnimmt?  Beurteile dein Ergebnis kritisch.

  7. 7

    Ein Taucher interessiert sich wegen Unterwasseraufnahmen dafür, welche Helligkeit in verschiedenen Tiefen herrscht.

    Messungen in einem bestimmten (recht trüben) See ergeben, dass die Helligkeit pro Meter Wassertiefe um ca. 17% abnimmt.

    Für diese Aufgabe musst du dich mit exponentiellem Wachstum auskennen

    allg. Formel             H0bx=HH_0\cdot b^x=H

    Abnahmefaktor       b=0,83b=0{,}83

    Anfangswert   H0=1H_0=1         (=100%)\left(=100\%\right)

    Exponent= [x]\left[x\right] in Metern

    [H]\left[H\right] in Prozent

    1. Wie groß ist die Helligkeit in 1m, 2m, 5m bzw. 10m Tiefe, verglichen mit der Helligkeit an der Wasseroberfläche?

    2. Beschreiben sie die Helligkeit H als Funktion der Wassertiefe x als Bruchteil der Helligkeit H0{\mathrm H}_0 an der Wasseroberfläche.

    3. In welcher Tiefe beträgt die Helligkeit weniger als 0,01H00{,}01\cdot{\mathrm H}_0 ?

  8. 8

    Beim Reaktorunglück von Tschernobyl wurde eine Menge von etwa 400 g400\ g radioaktiven Jod 131 freigesetzt.

    Dieses Jod 131 hat eine sogenannte Halbwertszeit von 8,0 Tagen, d.h. in jeweils 8,0 Tagen halbiert sich die Menge des noch vorhandenen radioaktiven Materials Jod 131.

    Allg. Formel: M(0)bt=M(t)M\left(0\right)\cdot b^t=M\left(t\right)

    Anfangswert a = 400g400g =M(0)=M\left(0\right)

    Zeit [t]\left[t\right] in Tagen

    M(t)  in  gM\left(t\right)\;in\;g

    M(8)=200gM\left(8\right)=200g

    1. Wie kann man die Menge M=M(t)\mathrm M=\mathrm M\left(\mathrm t\right) des radioaktiven Jods 131 als Funktion der Zeit tt angeben?

    2. Welcher Prozentsatz der ursprünglich vorhandenen Menge M0=400g{\mathrm M}_0=400\mathrm g war nach einem Tag bzw. nach 30 Tagen noch vorhanden?

    3. Wie lange musste man etwa warten, bis von den 400g Jod 131 nur noch 1 Milligramm vorhanden war?

  9. 9

    Bierschaumzerfall

    Bei einer schlecht eingeschenkten Maß Bier beträgt die Schaumhöhe anfangs 10 cm10\ cm. Um das Bier einigermaßen trinken zu können, wartet der Gast eine gewisse Zeit. Nach 3 Minuten ist die Schaumhöhe auf die Hälfte zurückgegangen.

    1. Stelle die Zerfallsgleichung für den Bierschaumzerfall auf.

    2. Berechne, wann die Schaumhöhe auf 1 cm1\ cm zurückgegangen ist.

    3. Bei einem anderen Gast beträgt die Schaumhöhe nach drei Minuten noch 3 cm3\ cm. Wie war die Schaumhöhe nach dem Einschenken?

    4. Mache plausibel, wann der Zerfall am stärksten ist.


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