Zastosowanie funkcji wykładniczej
Za pomocą funkcji wykładniczej można opisać wiele zjawisk z życia codziennego. Funkcję tę stosujemy do opisu wielkości, które w stałym tempie się zmieniają, w ten sposób, że w kolejnych odcinkach czasu tyle samo razy lub o ten sam procent się zwiększają lub zmniejszają. Wielkości takie mają tę własność, że ich przyrost od pewnego momentu jest dużo szybszy niż wzrost liniowy. Za to spadek w tempie wykładniczym jest wolniejszy niż spadek w tempie liniowym. Z wzrostem i spadkiem wykładniczym mamy do czynienia w biologii, chemii, demografii, gospodarce.
Podamy poniżej kilka zastosowań funkcji wykładniczej.
Żeby określić liczebność pewnej populacji osobników, można skorzystać ze wzoru
gdzie
jest początkową liczbą osobników w populacji,
pewną stałą większą od zera, charakterystyczną dla tej populacji.
Populacja osobników w tempie wykładniczym rozmnaża się najczęściej przez pewien czas, po którym następuje czas względnej równowagi pomiędzy ilością osobników tworzących się i obumierających.
Przyrost populacji, przebieg epidemii czy zasięg sieci społecznościowych w internecie nie mogą wzrastać w nieskończoność, gdyż istnieją ograniczenia środowiska czy przestrzeni, w której dane zjawiska występują.
Pewna kolonia bakterii liczy na początku obserwacji osobników. Co godzina ich liczba wzrasta o . Oblicz, ile bakterii będzie w tej kolonii po godzinach, ile po godzinach, a ile po godzinach.
Liczbę osobników tej kolonii obliczymy ze wzoru .
Zatem
W pewnym mieście odnotowano w kolejnych latach podaną w tabeli liczbę mieszkańców.
Rok | Liczba ludności (w tysiącach) | Przyrost ludności (w tysiącach) |
---|---|---|
- | ||
Zauważmy, że liczba mieszkańców nie przyrasta w sposób liniowy, ponieważ w kolejnych latach przyrost jest coraz większy. Obliczmy stosunek liczby mieszkańców w danym roku do liczby mieszkańców w poprzednim roku.
Ponieważ otrzymane ilorazy są równe (w pewnym przybliżeniu), wynika stąd, że liczba mieszkańców rośnie każdego roku o około . Liczbę ludności w tym mieście po latach od roku możemy opisać wzorem
Zatem przyrost ludności w tym mieście ma charakter wykładniczy. Jeżeli w kolejnych latach przyrost ludności zachował ten charakter, ile osób mieszkało w tym mieście w latach , ?
W roku było , czyli około tysięcy mieszkańców.
Liczba mieszkańców w roku wynosiła
czyli około tysięcy.
Pierwiastki promieniotwórcze samoistnie rozpadają się. Czasem połowicznego rozpadu nazywamy czas, po którym masa próbki takiego pierwiastka zmniejszy się o połowę. Masę próbki po upływie czasu możemy obliczyć ze wzoru
gdzie
– jest masą próbki na początku,
to okres połowicznego rozpadu.
Izotop jodu ma czas połowicznego rozpadu dni. Ile miligramów jodu zostanie z próbki po upływie dni? Jaki procent izotopu ulegnie rozpadowi w tym czasie?
dni to okresy połowicznego rozpadu izotopu jodu, bo . Mamy więc
Zatem z próbki złożonej z pozostanie po dniach . Rozpadowi ulegnie więc z . Układamy proporcję
Stąd
W naturze występują trzy izotopy węgla , , , różniące się między sobą liczbą protonów i neutronów w jądrze. Węgiel jest radioaktywny i jego czas połowicznego rozpadu jest równy lat. Powstaje on w górnych warstwach atmosfery w wyniku bombardowania atomów azotu neutronami o wysokiej energii z promieniowania kosmicznego. Izotopu jest bardzo mało w zawartym w powietrzu dwutlenku węgla, jeden atom przypada na około atomów węgla . Wszystkie rośliny pobierają z atmosfery oba rodzaje węgla. Także zwierzęta, jedząc rośliny, pobierają oba rodzaje węgla. Okazuje się, że zawartość węgla w organizmach jest podobna do jego zawartości w atmosferze. Po śmierci kończy się dopływ węgla z zewnątrz i wtedy węgiel pozostaje w komórkach, a węgiel ulega rozpadowi.
Liczbę atomów węgla w próbce po czasie obliczymy ze wzoru
Ile lat temu zginął człowiek, jeżeli w jego szczątkach znajduje się tylko ilości węgla, jaka jest w żywym organizmie?
Zbadajmy, jaka ilość węgla pozostanie po kolejnych okresach.
Okres, jaki upłynął | Ilość węgla , jaka pozostanie |
---|---|
Zatem człowiek ten żył około lat temu.
Znaleziono kość pewnego zwierzęcia, w której atom węgla przypada na atomów zwykłego węgla. Jaki czas upłynął od śmierci tego zwierzęcia?
Ponieważ w atmosferze na atom węgla przypada atomów zwykłego węgla, więc ilość węgla zmniejszyła się czterokrotnie. Po pierwszym okresie, czyli łącznie po latach, ilość węgla zmniejszyła się o połowę i po kolejnym okresie, czyli po latach, ilość węgla zmniejszyła się czterokrotnie. Zatem zwierzę żyło około lat temu.
Po podaniu pewnego leku do organizmu substancja czynna tego leku przenika do krwiobiegu. Następnie z każdą godziną ilość tej substancji maleje o około . Jeżeli podana dawka leku zawierała substancji, to po ilu godzinach zostanie w krwiobiegu pacjenta mniej niż substancji?
sposób
Jeżeli z każdą następną godziną ilość substancji w krwiobiegu maleje o , to znaczy, że po każdej godzinie pozostanie ilości substancji obecnej w poprzedniej godzinie. Zatem , gdzie oznacza ilość czasu w godzinach, jaki upłynął od podania leku, a to ilość leku w organizmie po godzinach.
Mamy więc . Stąd . Ponieważ , więc nierówność ma postać . Funkcja jest funkcją malejącą, więc dla większych argumentów przyjmuje mniejsze wartości. Stąd wynika, że .sposób
W kolejnych godzinach mamy:
Funkcja opisująca ilość leku we krwi jest funkcją malejącą oraz dla argumentu przyjmuje dokładnie wartość , zatem dla argumentów większych przyjmuje wartości mniejsze.
Po czasie dłuższym niż godziny w organizmie pacjenta pozostanie mniej niż leku.
Jeżeli umieścimy przedmiot w stałej temperaturze otoczenia, niższej od jego temperatury, to przedmiot ten będzie stygł aż do osiągnięcia temperatury otoczenia. Temperaturę po określonym czasie obliczymy za pomocą wzoru
to temperatura otoczenia, to temperatura początkowa przedmiotu, jest stałą charakterystyczną dla danego przedmiotu.
Zagotowaliśmy wodę do temperatury , a następnie umieściliśmy w pomieszczeniu o temperaturze . Po minutach zmierzyliśmy temperaturę wody i okazało się, że wynosi ona . Jaką temperaturę będzie miała woda po następnych minutach?
Temperaturę wody po minutach opisuje wzór:
stąd:
Otrzymujemy więc . Stąd , a więc .
Po następnych minutach, czyli po minutach od zagotowania wody jej temperatura będzie równa:
Przykładem zastosowania funkcji wykładniczej w medycynie jest zanik monochromatycznej wiązki promieniowania rentgenowskiego przy przechodzeniu przez materię. W tym przypadku natężenie promieniowania przy przejściu przez ciało grubości dane jest wzorem:
gdzie
– natężenie wychodzące z lampy rentgenowskiej,
– liniowy współczynnik pochłaniania promieniowania w materii,
– grubość warstwy pochłaniającej.
– liczba niewymierna, .
Jednostką liniowego współczynnika pochłaniania (absorpcji) jest.