MathProf - Exponentialfunktion - Wachstum - Zerfall - Prozess

Modul Parameter der Exponentialfunktion

 

Mit den auf dem Bedienformular zur Verfügung stehenden Rollbalken haben Sie die Möglichkeit die Parameter a, b und c einer Exponentialfunktion der Form

 

f(x) = a^b·x+c

zu ändern und somit deren Wirkung auf den Funktionsverlauf zu untersuchen.

Eine Veränderung der Parameter beeinflusst/bewirkt:

a: Basis der Funktion

b: Streckung bzw. Stauchung der Funktion in y-Richtung (Exponent)

c: Verschiebung der Funktion in y-Richtung

Die Koordinatenwerte eines Punktes einer dargestellten Funktion lassen sich durch ein Anfassen des dafür vorgesehenen Fangpunkts sowie die entsprechende Positionierung des Mauszeigers ablesen.

Hinweis:
Beliebige, frei definierbare Exponentialfunktionen können unter anderem in den Unterprogrammen Mathematische Funktionen I sowie Mathematische Funktionen II dargestellt und untersucht werden. Hierbei ist zur Definition einer Exponentialfunktion der Syntaxbefehl EXP() zu verwenden. Beispiele zur grafischen Darstellung oder Analyse einer derartigen Funktion der Form f(x) sind die Terme: EXP(X), 2*EXP(X-3), COS(X-EXP(X)), 3*(X/2+EXP(2-X). Weitere Hinweise und Möglichkeiten zur Definition von Funktionen dieser oder ähnlicher Art in diesem Programm sind unter Syntaxregeln zu finden.
 

 
In der nachfolgend gezeigten Tabelle sind wesentliche Eigenschaften von Exponentialfunktionen der Form f(x) = a^x aufgeführt. Unter Wertemenge (Wertebereich) wird Menge aller möglichen Werte verstanden, welche die entsprechende Funktion innerhalb ihres Definitionsbereichs annehmen kann.

Eigenschaften von y = a^x:
 

Definitionsbereich	-∞ < x < ∞
Wertebereich / Wertemenge	0 < y < ∞
Nullstellen	-
Asymptote	y = 0
Monotonie	für a > 1 streng monoton steigend für 0 < a < 1 streng monoton fallend

 

Gehen Sie folgendermaßen vor, um Untersuchungen mit diesem Unterprogramm durchzuführen:

1. Durch die Positionierung der Schieberegler Basis a, Parameter b und Parameter c können Sie die Parameter a, b (Exponent) und c der o.a. Funktion verändern und somit deren Einfluss analysieren. Zudem ermöglicht das Programm die Darstellung der 1. Ableitung der Kurve. Aktivieren Sie hierzu das Kontrollkästchen 1. Ableitung. Verfügt die Kurve über eine Nullstelle, so wird diese nach einer Aktivierung des Kontrollkästchens Nullstelle markiert.
    
2. Möchten Sie die Koordinatenwerte eines Punkts der Kurve (bzw. derer 1. Ableitung) exakt untersuchen, so können Sie die Schaltfläche Punkt auf dem Bedienformular nutzen und die entsprechenden Werte im daraufhin erscheinenden Formular eingeben. Aktivieren Sie hierfür zuvor das Kontrollkästchen Punkt. Übernommen werden diese, wenn Sie die sich dort befindende Schaltfläche Ok bedienen.
    
3. Soll die Position des Fangpunkts mit der Maus verändert werden, so klicken Sie mit der linken Maustaste in den rechteckig umrahmten Mausfangbereich und bewegen den Mauscursor bei gedrückt gehaltener Maustaste nach rechts oder nach links.
    
4. Um Zusammenhänge mit Hilfe von Simulationen zu analysieren, bedienen Sie die Schaltfläche Simulation. Vor dem Start einer Simulation wird Ihnen ein Formular zur Verfügung gestellt, auf welchem Sie die zu simulierende Größe durch eine Aktivierung des entsprechenden Kontrollschalters festlegen. Hierauf können Sie ggf. den Wert für die zu verwendende Verzögerung einstellen. Bestätigen Sie mit Ok. Beendet werden kann die Ausführung einer derartigen Simulation wieder durch eine erneute Betätigung dieser Schaltfläche. Sie trägt nun die Bezeichnung Sim. Stop.

 

 
Mit Hilfe dieses Programms lassen sich unter anderem Grafiken für Arbeitsblätter zur nichtkommerziellen Nutzung für Unterrichtszwecke erstellen. Beachten Sie hierbei jedoch, dass jede Art gewerblicher Nutzung dieser Grafiken und Texte untersagt ist und dass Sie zur Verfielfältigung hiermit erstellter Arbeitsblätter und Unterrichtsmaterialien eine schriftliche Genehmigung des Autors (unseres Unternehmens) benötigen.

Diese kann von einem registrierten Kunden, der im Besitz einer gültigen Softwarelizenz für das entsprechende Programm ist, bei Bedarf unter der ausdrücklichen Schilderung des beabsichtigten Verfielfältigungszwecks sowie der Angabe der Anzahl zu verfielfältigender Exemplare für das entsprechende Arbeitsblatt unter der auf der Impressum-Seite dieses Angebots angegebenen Email-Adresse eingeholt werden. Es gelten unsere AGB.
 

  
Dieses Programm eignet sich neben seinem Einsatz als Berechnungs- bzw. Grafikprogramm zudem zum Lernen, zur Aneignung entsprechenden Fachwissens, zum Üben sowie zum Lösen verschiedener Aufgaben zum behandelten Fachthema. Durch seine einfache interaktive Handhabbarkeit bietet es die auch Möglichkeit der Durchführung unterschiedlicher Übungen hierzu. Oftmals lassen sich hiermit auch die Lösungen von Übungsaufgaben durch benutzerdefinierte Festlegungen und Eingaben numerisch oder grafisch ermitteln bzw. auswerten. Erlernte Fertigkeiten können somit auf einfache Weise untersucht werden. Implementierte Beispiele zu Sachverhalten erlauben die Bezugnahme zum entsprechenden Fachthema. 

 

 

Nachfolgend finden Sie ein Video zu diesem Fachthema, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks
auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

 

 

Auf dem Bedienformular, welches durch Anklicken im obersten schmalen Bereich und bei Gedrückthalten der linken Maustaste verschiebbar ist, können Sie u.a. durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung des dafür vorgesehenen Kontrollkästchens folgende zusätzliche Einstellung vornehmen:

• 1. Ableitung: Darstellung der 1. Ableitung der dargestellten Funktion ein-/ausschalten

 

Allgemeines zum Handling des Programms bzgl. der Darstellung zweidimensionaler Grafiken wird unter Zweidimensionale Grafiken - Handling beschrieben. Wie Sie das Layout einer 2D-Darstellung konfigurieren können, erfahren Sie unter Layoutkonfiguration. Methoden zur Implementierung und zum Umgang mit grafischen Objekten werden unter Implementierung und Verwendung grafischer Objekte behandelt.

 

 

Mathematische Funktionen I

 

Beispiel zur Exponentialfunktion:

Wurden durch die Positionierung der Rollbalken folgende Werte eingestellt:

Basis a: 2

Parameter b (Exponent): -0,4

Parameter c: -4

 

so wird die e-Funktion f(x) = 2^-0.4x-4 ausgegeben.

 

Für die Nullstelle der Funktion gibt das Programm die Koordinatenwerte N (-5 / 0) aus.

 

Bei einer Positionierung des Mausfangpunkts auf den Wert (1 / 0) kann festgestellt werden, dass der Ordinatenwert der Funktion an dieser Stelle y = -3,242, sowie der entsprechende Wert für die 1. Ableitung an dieser Stelle y = -0,21 beträgt.
 

 

Grafische Darstellung - Beispiel 1


Grafische Darstellung - Beispiel 2


Grafische Darstellung - Beispiel 3
   
 

 

Nachfolgend aufgeführt finden Sie einige grundlegende relevante Zusammenhänge, durch welche Wachstumsprozesse und Zerfallsprozesse mathematisch beschrieben werden können. Funktionen dieser Art können Sie sich durch die Verwendung geeigneter Variablen und Parameter bzw. Konstanten im Unterprogramm Mathematische Funktionen I darstellen lassen und untersuchen.
 

 
Eine spezielle Exponentialfunktion stellt die natürliche Exponentialfunktion oder e-Funktion f(x) = e^x dar. Die Konstante e wird Eulersche Zahl bezeichnet. Sie besitzt den Wert 2,71828... . Jeder Ordinatenwert (y-Wert) dieser Funktion entspricht dem Steigungswert (der 1. Ableitung) ihrer im entsprechenden Punkt. Jede Exponentialfunktion lässt sich durch den geltenden Zusammenhang a^x = e^{(x · ln a)} auf eine e-Funktion zurückführen.
 

Kurvenveraluf der natürlichen Exponentialfunktion f(x) = e^x.
  

Kurvenveraluf der 1. Ableitung der natürlichen Exponentialfunktion f(x) = e^x.
 

 
I - Lineares Wachstum - Lineare Abnahme

a. Lineares Wachstum:

Lineares Wachstum kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = B(0) + k·t

Mit:
B(0): Anfangsbestand
B(t): Bestand zum Zeitpunkt t
k: Wachstumsfaktor
t: Zeitpunkt


Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines linearen Wachstums mit der Gleichung f(x) = 0,5+2*X dar.

b. Lineare Abnahme:

Lineare Abnahme kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = B(0) - k·t

Mit:
B(0): Anfangsbestand
B(t): Bestand zum Zeitpunkt t
k: Abnahmefaktor
t: Zeitpunkt
 

Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang einer linearen Abnahme mit der Gleichung f(x) = 0,5-0,4*X dar.

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II - Exponentielles Wachstum - Exponentieller Zerfall
(Exponentielle Zunahme - Exponentielle Abnahme)

a. Exponentielles Wachstum:

Exponentielles Wachstum kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = A·b^t

Mit:
A: Anfangsbestand
B(t): Bestand zum Zeitpunkt t
b: Wachstumsfaktor
t: Zeitpunkt

Verdopplungszeit:

Die Verdopplungszeit bezeichnet die Zeitspanne, in der sich ein exponentiell wachsender Bestand verdoppelt.


 Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines exponentiellen Wachstums mit der Gleichung f(x) = 0,5*(1,3)^X dar.

b. Exponentieller Zerfall:

Exponentieller Zerfall kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = A·(1+b)^t
 
Mit:
A: Anfangsbestand
B(t): Bestand zum Zeitpunkt t
b: Wachstumsfaktor
t: Zeitpunkt


Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines exponentiellen Zerfalls mit der Gleichung f(x) = 0,5*(1+0,2)^X dar.

c. Wachstumsgeschwindigkeit:

Eine Wachstumsgeschwindigkeit kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

N'(t) = A⋅ln(b)⋅b^t

Mit:
N'(t): Wachstumsgeschwindigkeit
A: Anfangsbestand
b: Abnahmefaktor
t: Zeitpunkt


Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang einer Wachstumsgeschwindigkeit mit der Gleichung f(x) = 0,5*Ln(1,3)*1,3^X dar.

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III - Logistisches Wachstum

Logistisches Wachstum kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:



Mit:
f(t): Zeitliche Entwicklung einer Population
f(0): Population zum Zeitpunkt t = 0
G: Obere Schranke
k: Wachstumsfaktor
e: Eulersche Zahl
t: Zeitpunkt
 

Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines logistischen Wachstums mit der Gleichung f(x) = 4/(1+e^(-1*3*X))*(3/2-1) dar.

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IV - Wachstumsfunktion

a. Beschränktes Wachstum - Beschränkte Zunahme:

Beschränktes Wachstum kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = S - (S - B(0))·e^(-kt)

Bedingung: S > B(0)

Mit:
B(0): Zustand zum Zeitpunkt t = 0
B(t): Zustand zum Zeitpunkt t
S: Wachtsumsschranke
t: Zeitpunkt
e: Eulersche Zahl
k: Wachstumskonstante


Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines beschränkten Wachstums mit der Gleichung f(x) = 10 - (10 - 0)*e^(-0,05*X) dar.
 
b. Beschränkter Zerfall - Beschränkte Abnahme:

Beschränkter Zerfall kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

B(t) = S - (S - B(0))·e^(-kt)

Bedingung: S < B(0)

Mit:
B(0): Zustand zum Zeitpunkt t = 0
B(t): Zustand zum Zeitpunkt t
S: Wachtsumsschranke
t: Zeitpunkt
e: Eulersche Zahl
k: Wachstumskonstante
 

Die obige Abbildung stellt den Zusammenhang eines beschränkten Zerfalls mit der Gleichung f(x) = 1.5 - (1,5 - 4)*e^(-0,5*X) dar.
 

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V - Abklingfunktion
   
Eine weitere spezielle Exponentialfunktion stellt eine Abklingfunktion der Form f(x) = a^e-λt+b dar. Sie besitzt eine Asymptote bei y = b.
 

Die zuvor dargestellte Abbildung stellt eine streng monoton abfallende Abklingfunktion mit der Gleichung f(x) = 2*E^(-0,5*X)+1 dar.

Mit
a: Wachstumsfaktor
b: Vertikaler Verschiebungsparameter
t: Zeitpunkt
e: Eulersche Zahl
λ: Parameter
 

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VI - Sättigungsfunktion

  
Ebenfalls mit Hilfe der Exponentialfunktion kann auch eine Sättigungsfunktion der Form f(x) = a(1-e^-λt)+b beschrieben werden. Sie verfügt über eine Asymptote bei y = a+b.
 

Die obige Abbildung zeigt eine streng monoton abfallende Abklingfunktion, welche durch die Funktion f(x) = 2*(1-E^(-0,5*X))+1 beschrieben wird.

Mit
a: Wachstumsfaktor
b: Vertikaler Verschiebungsparameter
t: Zeitpunkt
e: Eulersche Zahl
λ: Parameter

   

 
Im Weiteren wird auf Zusammenhänge eingegangen, mit deren Hilfe das organische Wachstum, der radioaktive Zerfall sowie der Verlauf einer Kettenreaktion mathematisch charakterisiert werden können.
 

 
Ein organisches Wachstum kann mit nachfolgender Gleichung beschrieben werden:

n = n₀^·e^k·t

k > 0 → Wachstumsprozess
k < 0 → Abklingprozess

Mit:
n: Organisches Wachstum
n₀: Grundmenge
k: Wachstumsintensität
t: Zeit
 

 
Der Prozess eines radioaktiven Zerfalls verhält sich gemäß den nachfolgend gezeigten Gesetzmäßigkeiten:

n(t) = n₀^·e^-λ·t

Die Zahl T_h = ln(2)/|λ| wird als Halbwerts- oder Verdoppelungszeit bezeichnet. Ist die Zerfallskonstante λ > 0, so wird T_h als Halbwertszeit bezeichnet. Ist λ < 0, so wird T_h als Verdoppelungszeit bezeichnet.

Mit:
n(t): Kettenreaktion
λ: Zerfallskonstante (Zerfallsfaktor)
n₀: Anfangsbestand an Atomkernen
t: Zeit

  

 
Der Verlauf einer Kettenreaktion lässt sich wie folgt ausdrücken:

n(t) = n₀^·e^(ϑ-1)t/l

Mit:
n(t): Radioaktiver Zerfall
ϑ: Vermehrungsfaktor je Neutronengeneration mit ϑ ≧ 1
n₀: Anzahl freier Neutronen zum Zeipunkt t = 0
l: Mittlere Zeit zwischen zwei Neutronengenerationen
t: Zeit

     

Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Screenshots zum Themengebiet Analysis - Screenshots zum Themengebiet Geometrie - Screenshots zum Themengebiet Trigonometrie - Screenshots zum Themengebiet Algebra - Screenshots zum Themengebiet 3D-Mathematik - Screenshots zum Themengebiet Stochastik - Screenshots zum Themengebiet Vektoralgebra sowie unter Screenshots zu sonstigen Themengebieten.
   

 

Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter Wikipedia - Exponentialfunktion zu finden.
 

 
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MathProf 5.0 - Unterprogramm Parameter der Potenzfunktion

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MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven von Funktionen in Parameterform
 

 

PhysProf 1.1 - Unterprogramm Adiabatische Zustandsänderung
 

SimPlot 1.0 - Grafik-  und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke
 

Nachfolgend finden Sie ein Video zu einer mit SimPlot 1.0 erstellten Animationsgrafik, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

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