Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

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.

Przykład 1

Żeby określić liczebność pewnej populacji osobników, można skorzystać ze wzoru

Lt=L0·at

gdzie

L0 jest początkową liczbą osobników w populacji,

a 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 500000 osobników. Co godzina ich liczba wzrasta o 10%. Oblicz, ile bakterii będzie w tej kolonii po 3 godzinach, ile po 5 godzinach, a ile po 10 godzinach.

Liczbę osobników tej kolonii obliczymy ze wzoru Lt=500000·1,1t.

Zatem

L3=500000·1,13=665500
L5=500000·1,15=805255
L10=500000·1,110=1296870.
Przykład 2

W pewnym mieście odnotowano w kolejnych latach podaną w tabeli liczbę mieszkańców.

Rok

Liczba ludności (w tysiącach)

Przyrost ludności (w tysiącach)

2009

30,30

-

2010

31,00

0,7

2011

31,71

0,71

2012

32,44

0,73

2013

33,19

0,75

2014

33,95

0,76

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.

liczba mieszkańców w 2014liczba mieszkańców w 2013=33,9533,191,023
liczba mieszkańców w 2013liczba mieszkańców w 2012=33,1932,441,023
liczba mieszkańców w 2012liczba mieszkańców w 2011=32,4431,711,023
liczba mieszkańców w 2011liczba mieszkańców w 2010=31,71311,023
liczba mieszkańców w 2010liczba mieszkańców w 2009=3130,31,023.

Ponieważ otrzymane ilorazy są równe (w pewnym przybliżeniu), wynika stąd, że liczba mieszkańców rośnie każdego roku o około 2,3%. Liczbę ludności w tym mieście po t latach od 2009 roku możemy opisać wzorem

Xt=30,3·1,023t.

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 2016, 2020?

W roku 2016 było 33,95·1,023235,53, czyli około 35,53 tysięcy mieszkańców.

Liczba mieszkańców w 2020 roku wynosiła

X11=30,3·1,0231138,91,

czyli około 38,91 tysięcy.

Przykład 3

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 t możemy obliczyć ze wzoru

mt=m0·12tT

gdzie

m0 – jest masą próbki na początku,

T to okres połowicznego rozpadu.

Izotop jodu ma czas połowicznego rozpadu 8 dni. Ile miligramów jodu zostanie z 20 mg próbki po upływie 32 dni? Jaki procent izotopu ulegnie rozpadowi w tym czasie?

32 dni to 4 okresy połowicznego rozpadu izotopu jodu, bo tT=328=4. Mamy więc

m32=20·124=2016=54=1,25.

Zatem z próbki złożonej z 20 mg pozostanie po 32 dniach 1,25 mg. Rozpadowi ulegnie więc 18,75 mg20 mg. Układamy proporcję

100%-20 mgx-18,75 mg.

Stąd

x=18,75·100%20=93,75%.
Przykład 4

W naturze występują trzy izotopy węgla C-12, C-13, C-14, różniące się między sobą liczbą protonów i neutronów w jądrze. Węgiel C-14 jest radioaktywny i jego czas połowicznego rozpadu jest równy 5730 lat. Powstaje on w górnych warstwach atmosfery w wyniku bombardowania atomów azotu neutronami o wysokiej energii z promieniowania kosmicznego. Izotopu C-14 jest bardzo mało w zawartym w powietrzu dwutlenku węgla, jeden atom przypada na około 1012 atomów węgla C-12. Wszystkie rośliny pobierają z atmosfery oba rodzaje węgla. Także zwierzęta, jedząc rośliny, pobierają oba rodzaje węgla. Okazuje się, że zawartość węgla C-14 w organizmach jest podobna do jego zawartości w atmosferze. Po śmierci kończy się dopływ węgla z zewnątrz i wtedy węgiel C-12 pozostaje w komórkach, a węgiel C-14 ulega rozpadowi.
Liczbę atomów węgla C-14 w próbce po czasie t obliczymy ze wzoru

Nt=N0·12t5730.
  1. Ile lat temu zginął człowiek, jeżeli w jego szczątkach znajduje się tylko 6,25% ilości węgla, jaka jest w żywym organizmie?
    Zbadajmy, jaka ilość węgla C-14 pozostanie po kolejnych okresach.

Okres, jaki upłynął

Ilość węgla C-14, jaka pozostanie

5730

50%

11460

25%

17190

12,5%

22920

6,25%

Zatem człowiek ten żył około 22920 lat temu.

  1. Znaleziono kość pewnego zwierzęcia, w której 1 atom węgla C-14 przypada na 4·1012 atomów zwykłego węgla. Jaki czas upłynął od śmierci tego zwierzęcia?

    Ponieważ w atmosferze na 1 atom węgla C-14 przypada 1012 atomów zwykłego węgla, więc ilość węgla zmniejszyła się czterokrotnie. Po pierwszym okresie, czyli łącznie po 5 730 latach, ilość węgla zmniejszyła się o połowę i po kolejnym okresie, czyli po 11 460 latach, ilość węgla zmniejszyła się czterokrotnie. Zatem zwierzę żyło około 11 500 lat temu.

Przykład 5

Po podaniu pewnego leku do organizmu substancja czynna tego leku przenika do krwiobiegu. Następnie z każdą godziną ilość tej substancji maleje o około 40%. Jeżeli podana dawka leku zawierała 250 mg substancji, to po ilu godzinach zostanie w krwiobiegu pacjenta mniej niż 32,4 mg substancji?

  • sposób I
    Jeżeli z każdą następną godziną ilość substancji w krwiobiegu maleje o 40%, to znaczy, że po każdej godzinie pozostanie 0,6 ilości substancji obecnej w poprzedniej godzinie. Zatem Xt=250·0,6t, gdzie t oznacza ilość czasu w godzinach, jaki upłynął od podania leku, a Xt to ilość leku w organizmie po t godzinach.
    Mamy więc 250·0,6t<32,4. Stąd 0,6t<0,1296. Ponieważ 0,1296=0,64, więc nierówność ma postać 0,6t<0,64. Funkcja y=0,6t jest funkcją malejącą, więc dla większych argumentów przyjmuje mniejsze wartości. Stąd wynika, że t>4.

  • sposób II
    W kolejnych godzinach mamy:

X1=250·0,6=150
X2=150·0,6=90
X3=90·0,6=54
X4=54·0,6=32,4.

Funkcja opisująca ilość leku we krwi jest funkcją malejącą oraz dla argumentu 4 przyjmuje dokładnie wartość 32,4, zatem dla argumentów większych przyjmuje wartości mniejsze.

RIPl5RMuJh1Mj1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Po czasie dłuższym niż 4 godziny w organizmie pacjenta pozostanie mniej niż 32,4 g leku.

Przykład 6

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

Tt=T0+Tp-T0a-t

T0 to temperatura otoczenia, Tp to temperatura początkowa przedmiotu, a jest stałą charakterystyczną dla danego przedmiotu.

R1AO7mqPjrUt41
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Zagotowaliśmy wodę do temperatury 100°C, a następnie umieściliśmy w pomieszczeniu o temperaturze 25°C. Po 10 minutach zmierzyliśmy temperaturę wody i okazało się, że wynosi ona 70°C. Jaką temperaturę będzie miała woda po następnych 10 minutach?

Temperaturę wody po 10 minutach opisuje wzór:

T10=25°+100°-25°·a-10=70°

stąd:

75°·a-10=45°.

Otrzymujemy więc a-10=0,6. Stąd a10=10,61,67, a więc a=1,67101,053.
Po następnych 10 minutach, czyli po 20 minutach od zagotowania wody jej temperatura będzie równa:

T2025°+75°·1,053-20=
=25°+75°·0,356=
=25°+27°=52°
Przykład 7

Przykładem zastosowania funkcji wykładniczej w medycynie jest zanik monochromatycznej wiązki promieniowania rentgenowskiego przy przechodzeniu przez materię. W tym przypadku natężenie promieniowania I przy przejściu przez ciało grubości x dane jest wzorem:

Ix=I0e-kx

gdzie

I0 – natężenie wychodzące z lampy rentgenowskiej,

k – liniowy współczynnik pochłaniania promieniowania w materii,

x – grubość warstwy pochłaniającej.

e – liczba niewymierna, e2,718.

Jednostką liniowego współczynnika pochłaniania (absorpcji) jest1m.

1
Ćwiczenie 1
RxViytvfe6WGB
Kolonia bakterii składała się z 500 organizmów. Po każdej godzinie liczba bakterii rośnie o 20%. Ile bakterii będzie po 3 godzinach? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 864, 2. 800, 3. 1500, 4. 968
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
1
Ćwiczenie 2
RpWusXUOM6YBg
Na początku obserwacji kolonia liczyła 500, a na końcu 845 bakterii. O ile procent przyrastała liczba bakterii w ciągu godziny, jeżeli liczba bakterii przyrasta w tempie wykładniczym, czyli według wzoru Lt=L0at, a eksperyment trwał 2 godziny? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 30%, 2. 43%, 3. 25%, 4. 37%
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
1
Ćwiczenie 3
R1IVgfozkyO7t
Na początku obserwacji kolonia liczyła 1000 bakterii. Po 5 godzinach liczba ta wzrosła do 1800. Ile osobników będzie liczyła kolonia po 20 godzinach w zaokrągleniu do tysięcy? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 10000, 2. 6000, 3. 14000, 4. 18000
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 4
RTaGalJeRTLoQ
W pewnej kolonii liczba bakterii zwiększa się co godzinę o 25%. W której godzinie liczba ta uległa podwojeniu? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. W 4 godzinie., 2. W 2 godzinie., 3. W 5 godzinie., 4. W 3 godzinie.
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 5
RObchiQggczDc
W pewnej miejscowości mieszkało 1400 osób. Miejscowość rozwija się prężnie, tak że każdego roku liczba ta zwiększa się o 10%. Po ilu latach liczba mieszkańców przekroczy 2000? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. Po 4 latach., 2. Po 3 latach., 3. Po 2 latach., 4. Po 5 latach.
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 6
Rpi1OvvB7z1Yl
W pewnej kolonii bakterii po 4 godzinach od rozpoczęcia doświadczenia liczba organizmów była równa 7500, a po 6 godzinach była już równa 37500. Wiedząc, że liczba bakterii przyrastała w sposób wykładniczy oblicz, ile bakterii było na początku doświadczenia oraz ile po 12 godzinach. Uzupełnij poniższe zdanie, wpisując w luki odpowiednie liczby. Na początku było Tu uzupełnij bakterii, natomiast po 12 godzinach Tu uzupełnij.
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 7
R1BLeukKsUqyJ
Dla uranu 235 czas połowicznego rozpadu wynosi 713 milionów lat. Ile lat potrzeba, żeby z 1 g pierwiastka pozostało nie więcej niż 0,125 g? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 2139 milionów lat, 2. 1827 milionów lat, 3. 1935 milionów lat, 4. 2038 milionów lat
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 8
RyrVwCKdhmeIJ
Po upływie 15 dni z początkowej próbki o masie 2 g pozostanie 0,25 g bizmutu 210. Jaki jest czas połowicznego rozpadu tego pierwiastka? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. T=5 dni, 2. T=7,5 dnia, 3. T=2,5 dnia, 4. T=10 dni
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 9
RkJMdlA51PT6Z
W próbce znajduje się 0,05 g izotopu wapnia. Jaka masa izotopu była 3 lata wcześniej, jeżeli okres połowicznego rozpadu dla wapnia wynosi 6 miesięcy? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 3,2 g, 2. 0,3 g, 3. 3,0 g, 4. 3,6 g
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 10
Rl1Kl0JLiVQ7Y
Ile wynosi okres połowicznego rozpadu kobaltu, jeżeli wiadomo, że podczas doświadczenia, które trwało 20 lat, z próbki ważącej 40 g pozostało 2,5 g tego pierwiastka? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 5 lat, 2. 6 lat, 3. 7 lat, 4. 8 lat
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 11
RaZMHxxa9Oar1
W pewnej kości zawartość węgla C-14 jest mniejsza o 75% od zawartości w atmosferze. Ile wynosi wiek znaleziska? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 11460 lat, 2. 13730 lat, 3. 12340 lat, 4. 10860 lat
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 12
Rpy62qv50Hqut
Określ wiek znaleziska archeologicznego, wiedząc, że jeden atom węgla  C-14 przypada na 16·1012 atomów węgla  C-12. Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 24820 lat, 2. 20780 lat, 3. 22540 lat, 4. 22920 lat
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 13
Rf8lBFZ9mHNz6
Jaki procent węgla C-14 pozostał w znalezisku archeologicznym, które ma 15000 lat? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. 16%, 2. 15%, 3. 18%, 4. 20%
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 14
Rj6X8wKsPC1VC
Pewien płyn podgrzano do temperatury 80°C , a następnie odstawiono do pomieszczenia o temperaturze 25°C, żeby wystygł. Po 15 minutach temperatura płynu wynosiła 60°C. Jaką temperaturę miał płyn po godzinie od podgrzania? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. około 34°C, 2. około 0°C, 3. około 40°C, 4. około 28°C
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.