Exponentialfunktionen
Abschnittsübersicht
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Chapter 1 Studifinder - 1.8 Höhere Funktionen - Exponentialfunktionen Hinführung
Datum Sep 28, 2026orca_hoeherefkt_expfkt_Exponentialfunktionen82bereich_2Legende über das Schachspiel und die Reiskörner
Bild 1Obwohl sich die Forschung über die genauen Umstände der Entstehung des Schachspiels unklar ist, hält sich die folgende Legende am Leben: Der indische Minister Sissa ibn Dahir soll einst das Schachspiel erfunden haben, um seinen schwermütigen Herrscher Shihram aufzumuntern. Dem Tyrannen gefiel das Spiel derart gut, dass er - reich wie er war - seinem Untertanen jeden Wunsch erfüllen wollte. Der Minister forderte, dass auf das erste Feld seines Schachbretts ein Reiskorn gelegt werde. Auf die folgenden Felder des Schachbretts sollten weiter jeweils doppelt so viele Reiskörner gelegt werden, wie sich auf dem vorherigen Feld befanden. Als Lohn für seine Mühe wünschte sich der Minister nun die Gesamtzahl all dieser Reiskörner. Shihram war zunächst wütend über diesen seiner Ansicht nach lächerlichen Wunsch und sagte dem Minister diese Menge an Reis zu. Anschließend ergab sich allerdings ein großes Problem für den Herrscher. Können Sie sich vorstellen, worin das Problem bestand?Um die gesamte Menge an Reiskörnern zu berechnen, muss man letztlich noch die Anzahl der Körner auf den einzelnen Feldern addieren. Hierbei ergibt sich eine Gesamtzahl von
Aufgabe 1aufgabe_1
Um uns diesen Vorgang einmal näher zu betrachten, interessieren uns der Einfachheit halber nur die einzelnen Felder:- Berechnen Sie, wie viele Reiskörner auf dem zweiten, dritten, vierten und auf dem letzten Feld liegen.
- Angenommen, es gäbe Felder. Wie viele Körner würden auf dem -ten Feld liegen? Überprüfen Sie ihre Antwort, indem sie z. B. für einsetzen und es mit dem Ergebnis aus der letzten Teilaufgabe vergleichen.
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Da stets eine Verdopplung vorliegt und auf dem ersten Feld ein Reiskorn liegt, sind auf dem zweiten zwei Reiskörner, auf dem dritten vier und auf dem vierten acht Körner. Betrachtet man diese Zahlenfolge näher, so zeigt sich, dass auf dem -ten Feld jeweils Körner liegen müssen. So befinden sich z. B. auf dem zweiten Feld Körner und auf dem vierten . Dementsprechend werden auf dem letzten Schachfeld (dem -ten) genau Reiskörner zu finden sein.
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Körnern. Die Rechnung können Sie hier nachlesen.[Ausblenden]
Auf dem ersten Feld liegt Korn.
Auf den ersten beiden Feldern liegen zusammen Körner.
Auf den ersten drei Feldern liegen zusammen Körner.
Auf den ersten vier Feldern liegen zusammen Körner.
Auf den ersten fünf Feldern liegen zusammen Körner.
usw.
Es befinden sich z. B. auf den ersten beiden Feldern insgesamt Körner und auf den ersten vier Feldern insgesamt . Verallgemeinernd kann man vermuten, dass sich auf den ersten Feldern Körner befinden. Es müsste also folgende Formel gelten:
Dies ist eine bekannte Formel, die üblicherweise im Kontext der geometrischen Reihe begründet wird. Dementsprechend liegen auf allen 64 Schachfeldern zusammen genau
Reiskörner.
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Um sich die Größenordnung dieser Menge vorzustellen, hier ein paar Rechenbeispiele:- Diese Menge entspricht der Reisernte von Jahren, wenn man die gesamte Erdoberfläche (einschließlich Pole und Wasserflächen) vollständig mit Reis bepflanzen könnte.
Rechnung zum Nachlesen[Ausblenden]
- Wie schwer ist der gesamte Reis auf dem Schachfeld?
Wir können davon ausgehen, dass ein Reiskorn etwa Milligramm wiegt. Das sind g. (Unterschiedliche Reissorten wiegen natürlich unterschiedlich viel, aber dieser Wert genügt uns für eine grobe Abschätzung.)
Diesen Wert multiplizieren wir mit der (gerundeten) Anzahl der Reiskörner.
Der Reis auf dem Schachfeld wiegt also etwa Milliarden Tonnen. - Wie schwer ist der Reis, der weltweit in einem Jahr geerntet wird?
Wir nehmen an, dass wir die gesamte Erdoberfläche (inklusive Pole und Wasserflächen) bepflanzen könnten. Bei Wikipedia (Zugriff im Februar ) kann nachgelesen werden, wie groß die Oberfläche unserer Erde ist: Sie beträgt Millionen .
Die Fläche rechnen wir in die Einheit Hektar um.
Nach Wikipedia (Zugriff im Februar ) war die weltweite Ernte von Reis in der Saison etwa Tonnen pro Hektar. Diesen Faktor multiplizieren wir mit dem Wert für die Erdoberfläche:
- Wie viele Jahre dauert es, bis wir mit der Reisernte die Reismenge des Schachfelds erreichen?
Dafür teilen wir das Gewicht der Reismenge auf dem Schachbrett durch das Gewicht der Jahresernte:
Die Reismenge auf dem Schachfeld ist also etwa die Ernte von Jahren Reisanbau auf der gesamten Erdoberfläche.
[Ausblenden] - Wie schwer ist der gesamte Reis auf dem Schachfeld?
- Der Transport dieser Getreidemenge würde derart viele Fahrzeuge erfordern, dass diese direkt hintereinander gestellt etwa mal um die Erde reichen würden.
Rechnung zum Nachlesen[Ausblenden]
- Wie viele Lastwagen (Lkw) braucht man für den Transport des Reises?
Wie beim ersten Rechenbeispiel schon ausgerechnet, wiegt der Reis auf dem Schachbrett etwa Milliarden Tonnen.
Ein Lastwagen hat in der Regel maximal t Nutzlast.
Also benötigt man für den gesamten Reis
Im Folgenden rechnen wir vereinfacht mit etwa Milliarden Lkw. - Wie lang ist die Schlange aus Lastwagen?
Nach Vorgaben der EU dürfen Nutzfahrzeuge maximal m lang sein. Wir gehen davon aus, dass alle unsere Milliarden Lkw diese maximale Länge ausnutzen.
Wenn wir alle Fahrzeuge direkt hintereinander stellen, dann ist die Gesamtlänge
- Wie oft reicht die Schlange aus Lkw um die Erde?
Der Umfang der Erde beträgt etwa km (z.B. bei Wikipedia (Zugriff im Februar ) nachzulesen). Das bedeutet, eine Schlange von Lkw, die genau km lang ist, reicht genau einmal um die Erde.
Unsere Schlange ist mit Millionen km jedoch deutlich länger als km.
Das heißt, die Lkw-Schlange reicht (gerundet auf Tausender) etwa mal um die Erde.
[Ausblenden] - Wie viele Lastwagen (Lkw) braucht man für den Transport des Reises?
- Wenn man den Berg Reis z. B. in England abladen würde, wäre das gesamte Land unter einer m hohen Schicht Reis begraben.
Rechnung zum Nachlesen[Ausblenden]
- Wie groß ist das Volumen der gesamten Reismenge auf dem Schachbrett?
Wir nehmen an, dass ein Reiskorn etwa den Platz eines Quaders der Abmessungen mm 2 mm 6 mm benötigt. Die Abschätzung berücksichtigt, dass zwischen den Reiskörnern Lücken bleiben. Die Länge eines Korns von mm ist ein Durchschnittswert für verschiedene Sorten.
Das modellierte Volumen eines Reiskorns ist das Volumen eines Quaders:
Das Volumen der etwa Trillionen Reiskörner auf dem Schachbrett ist dann
- Wie hoch reicht der Reis, wenn er in England abgeladen wird?
England ist nach Angaben von Wikipedia (Zugriff im Februar ) etwa groß. Eine Umrechnung der Einheiten ergibt:
Wenn der Reis gleichmäßig auf dieser Fläche verteilt wird, erhalten wir die Höhe der Schicht, indem wir das Volumen aus dem ersten Schritt durch die Größe der Fläche teilen:
Die Reisschicht ist also etwa m hoch.
[Ausblenden] - Wie groß ist das Volumen der gesamten Reismenge auf dem Schachbrett?
- Wie W. Haas in der Zeitschrift „Rochade“ schrieb: „Ein Güterzug mit allen Körnern, der mit km/h, d. h. mit Waggons pro Sekunde an uns vorbeiführe, jeder einzelne mit Tonnen Reis beladen, bräuchte dazu Jahre.“
Rechnung zum Nachlesen[Ausblenden]
Die Anzahl an Loks, die man bräuchte, um diese Waggons zu ziehen, vernachlässigen wir bei den folgenden Betrachtungen.- Wie viele Waggons werden für den Reis benötigt?
Jeder Waggon fasst nach den Angaben Tonnen, wobei insgesamt Milliarden Tonnen Reis verladen werden müssen. Es werden also
benötigt. - Wie lange brauchen die Waggons, um an uns vorbeizufahren?
Nach W. Haas fahren Waggons pro Sekunde an uns vorbei, sodass wir für die etwa Milliarden Waggons „nur“ Milliarden Sekunden warten müssen.
Damit wir uns diese Zeitspanne besser vorstellen können, rechnen wir die Größe in die Einheit Jahre um.
Also müssen wir Jahre am Bahnübergang warten, bis der Zug vorbeigefahren ist.
[Ausblenden] - Wie viele Waggons werden für den Reis benötigt?
Aufgabe 2aufgabe_2
Neue Betrachtungen
Wir betrachten die Zuordnung, die jedem Feld die Anzahl der Körner auf diesem Feld zuordnet, als Funktion :1 2 3 4 1 2 4 8 - Schreiben Sie die Funktionsgleichung auf.
- Zeichnen Sie den Funktionsgraphen mithilfe der Werte, die Sie oben berechnet haben.
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- Es ist für alle .
- Hier nun ein Ausschnitt des Graphen der Funktion für .
Bild 2 Ein Ausschnitt des Graphen der Funktion mit und \(n\mapsto 2^{n-1}\).
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Aufgabe 3aufgabe_3
Höhere Forderungen
Stellen wir uns vor, der Minister hätte eine Verdreifachung gewünscht.- Geben Sie für diesen Fall einen Term an, der die Anzahl der Reiskörner auf dem -ten Feld beschreibt.
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Die Verdopplung haben wir mit dem Term beschrieben.
Wir könnten vermuten, dass die Verdreifachung zum jeweils nächsten Feld mit dem Term beschrieben werden kann.Der Blick auf die Zahlenfolge unterstreicht die Vermutung, dass der Term die Verdreifachung beschreibt:Feldnummer 1 2 3 4 Anz. Reiskörner auf dem Feld 1 3 9 27
Auf dem ersten Feld liegt ein Reiskorn. Dies stimmt mit der Berechnung über den Term überein: Das erste Feld entspricht , die Anzahl der Reiskörner ist dann .
Auf dem zweiten Feld müssen es dann drei Körner sein, was mit ebenfalls bestätigt wird.
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Nutzen Sie den Term nun, um die Anzahl der Reiskörner auf den einzelnen Feldern mit einer Funktion zu beschreiben (wie in der vorherigen Aufgabe).
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Die Verdopplung der Reiskörner haben wir in der vorherigen Aufgabe mit der Funktion mit beschrieben. Für die Verdreifachung erhalten wir
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Zeichnen Sie den Graphen der Funktion in das Koordinatensystem, in das Sie in der vorherigen Aufgabe den Graphen zur Verdopplung der Reiskörner gezeichnet haben.
Lösung anzeigen -
Vergleichen Sie die Graphen der beiden Funktionen zur Verdopplung und Verdreifachung und halten Sie Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede fest.
Lösung anzeigen[Ausblenden]
Beim Vergleich der beiden Graphen fällt zunächst einmal auf, dass der Punkt zu beiden Funktionsgraphen gehört:
Um die Unterschiede einfacher feststellen zu können, müssen wir die Achsen des Koordinatensystems noch weiter zeichnen als bisher.Die Punkte des blauen Graphen liegen ab immer über den roten Punkten. Der blaue Graph wächst schneller als der rote Graph, weil sich beim Übergang von einem Feld des Schachbretts zum nächsten die Funktionswerte von jeweils verdreifachen und bei nur verdoppeln.
Bild 4 Darstellung der Funktionen und für bis .
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Fortsetzung der Überlegungen anhand der Einwohnerzahlen von Kassel
Wir wollen nun Überlegungen zu Exponentialfunktionen, die nicht nur für natürliche Zahlen definiert sind, anstellen. Wir haben in der Lerneinheit Potenzen, Wurzeln, Logarithmen Potenzen der Form für und alle definiert. Mit einem Funktionenplotter kann man solche Funktionen plotten. Im nachfolgenden Bild ist der Graph der Funktion mit der Vorschrift dargestellt.Wir haben die Funktionswerte an den Stellen und hervorgehoben.
Bild 5
Man kann mit Exponentialfunktionen stetige Wachstumsprozesse modellieren. Dazu schauen wir uns genauer an, wie sich das Bevölkerungswachstum von Kassel mit einer Exponentialfunktion modellieren lässt. Angenommen in Kassel hätten Anfang des Jahres genau Menschen gelebt. Nehmen wir zudem an, die Einwohnerzahl würde jährlich immer um % ansteigen.- Fragen wir uns zunächst, wieviele Menschen dementsprechend ein Jahr später in Kassel leben würden.
Dazu nehmen wir die Zahl von Anfang (), multiplizieren diese mit dem Faktor (das entspricht %) und erhalten Somit ist die Bevölkerung vom Jahr auf das Jahr um Menschen gestiegen.
Um schließlich die gesamte Bevölkerungszahl für anzugeben, muss dieser Wert letztlich noch zur Zahl aus addiert werden. Insgesamt ergibt sich somit:
Wir schreiben die Rechnung nun etwas anders auf, weil es uns anschließend ermöglicht, ein Muster zu erkennen:
-
Gehen wir einen Schritt weiter und versuchen erneut ausgehend von der Bevölkerungszahl von direkt die Zahl für zu berechnen, so ergibt sich folgendes:
Im letzten Schritt haben wir gerundet, weil Bevölkerungszahlen nur in ganzen Zahlen angegeben werden.
Analog ergibt sich für :
-
Wenn wir mit das um reduzierte Jahr bezeichnen, gilt unter unseren Annahmen für die Kasseler Bevölkerung :
Mit können wir auch schreiben
Es stellt sich die Frage, ob wir die Kasseler Bevölkerung auch zu anderen Zeitpunkten als für damit modellieren können. Wir setzen zunächst negative ganze Zahlen in den Funktionsterm ein. Es ist
Ähnliches gilt für
Wir erhalten folgende Tabelle:Es ist
Das würde besagen, dass die Bevölkerung vom Jahr ( ) auf das Jahr ( ) auch um % wächst. Entsprechend gilt
Die Gültigkeit von auch für negative ganze Zahlen anzunehmen, bedeutet inhaltlich, dass wir davon ausgehen, dass auch das Wachstum vor ( ) durch eine konstante Wachstumsrate von jährlich % gekennzeichnet ist. -
Wir betrachten die Funktion jetzt für positive .
Welche Eigenschaften hätte der Wachstumsprozess der Stadt Kassel, wenn wir unterstellen, dass das Modell für alle , gültig ist?
Kassel wächst nicht nur in jährlichen Schüben, sondern Tag für Tag mit Sprüngen. Jeder reellen Zahl eine Bevölkerungszahl zuzuordnen ist in jedem Fall eine Idealisierung, ist i.A. auch keine ganze Zahl, müsste bei der Interpretation also gerundet werden. Wir betrachten zunächst halbjährliche Schritte:Die letzte Spalte errechnet sich aus den Potenzgesetzen, z.B.alternativ berechnet
.
Charakteristisch wäre für dieses Modell ein halbjährliches Wachstum mit der konstanten Wachstumsrate . Das entspricht einem halbjährlichen Wachstum von %. Entsprechend könnte man bei einer Einteilung in Tage argumentieren. Nimmt man an, dass für alle , die Vielfache von sind, ein gültiges Modell darstellt, dann gilt für das tägliche Wachstum , d.h. ein tägliches Wachstum von etwa %. Das wären bei Start bei Personen nach einem Tag rund Personen. Man beachte, dass nicht jeden Tag konstant Personen dazukommen, das wäre lineares Wachstum, sondern immer derselbe Prozentsatz. Nach Tagen hat man wieder den Wachstumsfaktor . Das entspricht %. Wir können auch noch andere Zeiträume mit unserem Modell beschreiben, wie z. B. Jahre (das entspricht Tagen). Das heißt, am . Januar leben nach dem Modell dann Menschen in Kassel.
Für weitere Zeiträume sind die (gerundeten) Funktionswerte in der folgenden Tabelle dargestellt. Eine Rechnung im Detail wird an dieser Stelle ausgelassen, doch die Werte können durch Einsetzen in die Funktionsvorschrift nachgerechnet werden.
Einen Wachstumsprozess mit einer Funktion für zu modellieren impliziert starke Annahmen über die Wachstumsvorgänge: bei gleichen Zunahmen um wächst immer um denselben Faktor , der von abhängig ist. [Das kann man verallgemeinernd mathematisch zeigen.]
Bei einem konkreten Wachstumsprozess muss man prüfen, ob diese Annahmen zumindest angenähert erfüllt sind, bzw. ob die empirischen Daten durch das Modell annähernd gut beschrieben und vorhergesagt werden. Das wird im Allgemeinen nur für eine Teilmenge der Fall sein. Beim Vergleich mit Daten muss man auch berücksichtigen, dass Daten nur zu endlich vielen Zeitpunkten vorliegen und als Messwerte auch immer rationale Zahlen sind. Irrationale Zahlen kommen als Messwerte nicht vor.
studiVEMINT und studiVEMINTvideos
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