Faktor statt Zuwachs

Factor, not increment

Mathematik Klasse 10 17 Aufgaben
ExponentiellFunktionenModellieren

Linear wächst, was in jedem Schritt um dieselbe Zahl zunimmt; exponentiell wächst, was in jedem Schritt mit demselben Faktor multipliziert wird. An Wertetabellen prüft man das mit Differenzen und Quotienten benachbarter Werte, der Term heißt b · aⁿ mit Anfangswert b und Wachstumsfaktor a. Der Abschnitt räumt aus, dass jedes wachsende Muster exponentiell sei und dass man exponentielles Wachstum linear fortsetzen dürfe (Confrey und Smith 1994; Wagenaar und Sagaria 1975). Er bereitet Prozent und Faktor sowie den Graphen von b · aˣ vor.

Zuwachs oder Faktor?

Anna und Ben legen je 100 € an. Anna bekommt jeden Monat 30 € dazu. Bens Guthaben wird jeden Monat mit 1,3 multipliziert, es wächst also um 30 %.

Monat n01234
Anna100130160190220
Ben100130169219,70285,61

Bei Anna ist die Differenz benachbarter Werte immer 30: Das Wachstum ist linear. Bei Ben ist der Quotient benachbarter Werte immer gleich, denn : Das Wachstum ist exponentiell, und 1,3 heißt Wachstumsfaktor . Die Werte 100, 105, 115, 130 wachsen zwar auch, haben aber weder gleiche Differenzen noch gleiche Quotienten.

Ben nach n Monaten:

b ist der Anfangswert bei n = 0. Nach 4 Monaten sind es €.

Ziehe n am Regler. Wo liegen Anna und Ben gleichauf, und wer liegt danach vorn?

Verdoppeln unterschätzt man

Eine Zellkultur beginnt mit einer Zelle und verdoppelt sich jede Stunde: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64. Der Faktor ist 2, der Term . Nach 10 Stunden sind es Zellen, nach 20 Stunden , mehr als eine Million.

Wer nur fortschreibt, was zuletzt dazukam, rechnet linear: In Stunde 6 kamen 32 Zellen dazu, das ergäbe für Stunde 10 nur statt 1024. Beim Faktor wächst nicht der Zuwachs mit, sondern der Bestand selbst wird in jedem Schritt größer, und mit ihm das, was dazukommt.

Damit löst sich das Rätsel vom Teich: Weil sich die Fläche jeden Tag verdoppelt, war er einen Tag vor dem Ende halb bedeckt, am 29. Tag und nicht am 15. Wer in gleichen Zuwächsen denkt, verschätzt sich um 14 Tage.

Säulendiagramm (Zellen): 0 1, 1 2, 2 4, 3 8, 4 16, 5 32, 6 64 0 20 40 60 80 Zellen 1 0 2 1 4 2 8 3 16 4 32 5 64 6 Stunde n
Jeder Balken ist doppelt so hoch wie der vorige. Der Zuwachs pro Stunde verdoppelt sich mit.
Leicht
Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Welche Wertetabelle gehört zu einem exponentiellen Wachstum?

  • ● 3, 6, 12, 24
  • ○ 3, 6, 9, 12
  • ○ 3, 5, 9, 15
In 3, 6, 12, 24 ist der Quotient benachbarter Werte immer 2 (6 : 3 = 12 : 6 = 24 : 12). In 3, 6, 9, 12 ist die Differenz immer 3, das ist linear. In 3, 5, 9, 15 wachsen die Werte zwar, aber weder die Differenzen (2, 4, 6) noch die Quotienten (1,67; 1,8; 1,67) sind gleich.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Die Balken zeigen eine exponentielle Abnahme.

✓ Wahr
Jeder Balken ist das 0,9-Fache des vorigen: 72 : 80 = 64,8 : 72 = 58,32 : 64,8 = 0,9. Gleicher Quotient heißt exponentiell; der Faktor liegt unter 1, also nimmt der Bestand ab.
Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Wie ändert sich der Bestand von Balken zu Balken?

  • ● Jeder Wert ist das Dreifache des vorigen
  • ○ Zu jedem Wert kommen 4 dazu
  • ○ Jeder Wert ist das Vierfache des vorigen
6 : 2 = 18 : 6 = 54 : 18 = 3, der Quotient ist immer gleich. Die Differenzen sind 4, 12 und 36, also nicht konstant. Die 4 aus dem ersten Schritt gilt nur dort.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

In der Tabelle 12, 20, 28, 36 ist der Quotient benachbarter Werte immer gleich.

✓ Falsch
Die Differenz ist immer 8, das ist linear. Die Quotienten sind 20 : 12 ≈ 1,67, 28 : 20 = 1,4 und 36 : 28 ≈ 1,29, also verschieden.
Multiple Choice #5 25s ▶ Testen

Eine Kultur hat zu Beginn 500 Zellen und verdreifacht sich jeden Tag. Welcher Term gibt die Zellenzahl nach n Tagen an?

  • ● 500 · 3ⁿ
  • ○ 3 · 500ⁿ
  • ○ 500 + 3n
Der Anfangswert 500 steht vor der Potenz, der Faktor 3 steht in der Basis: 500 · 3ⁿ. Bei 3 · 500ⁿ wären Anfangswert und Faktor vertauscht, 500 + 3n wäre ein Zuwachs von 3 pro Tag (linear).
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Der Bestand f(n) = 40 · 1,5ⁿ (Balken für n = 0 bis 3) wächst in jedem Schritt um 20.

✓ Falsch
Nur im ersten Schritt kommen 20 dazu (40 → 60). Danach kommen 30 (60 → 90) und 45 (90 → 135) dazu. Konstant ist nicht der Zuwachs, sondern der Faktor 1,5.
Multiple Choice #7 25s ▶ Testen

Welcher Term passt zu den Balken für n = 0, 1, 2, 3?

  • ● 3 · 2ⁿ
  • ○ 2 · 3ⁿ
  • ○ 3 + 3n
Bei n = 0 ist der Wert 3, das ist der Anfangswert b. Von Balken zu Balken verdoppelt sich der Wert, also ist a = 2: f(n) = 3 · 2ⁿ. Bei 2 · 3ⁿ stünde bei n = 0 der Wert 2.
Multiple Choice #8 25s ▶ Testen

Eine Hefezelle verdoppelt sich jede Stunde. Wie viele Hefezellen sind es ungefähr nach 12 Stunden?

  • ● 4096
  • ○ 24
  • ○ 13
Nach n Stunden sind es 2ⁿ Zellen, also 2¹² = 4096. Die 24 entsteht, wenn man 12 · 2 rechnet, die 13, wenn man immer nur eine Zelle dazuzählt.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Wenn sich ein Bestand 30-mal verdoppelt, ist er mehr als eine Milliarde Mal so groß wie am Anfang.

✓ Wahr
2³⁰ = 1 073 741 824, das ist mehr als eine Milliarde. Schon 30 Verdopplungen machen aus einer Zelle über eine Milliarde.
Multiple Choice #10 30s ▶ Testen

Die Zellen verdoppeln sich weiter. Wie viele sind es in Stunde 7?

  • ● 384
  • ○ 192
  • ○ 144
Der Wert verdoppelt sich in jeder Stunde: Stunde 6 hat 192, Stunde 7 hat 384 (= 3 · 2⁷). Wer die letzte Zunahme 48 fortschreibt, kommt auf 96 + 2 · 48 = 192 (das ist der Wert von Stunde 6), und die 144 bleibt schon nach einem Schritt stehen: 96 + 48.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Bestand wächst exponentiell: 250, 300, 360. Wie groß ist der Faktor pro Schritt?

✓ Antwort: 1.2
Quotient benachbarter Werte: 300 : 250 = 1,2 und 360 : 300 = 1,2. Der Faktor ist 1,2.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Berechne f(6) für f(n) = 5 · 2ⁿ.

✓ Antwort: 320
f(6) = 5 · 2⁶ = 5 · 64 = 320. Die Potenz wird zuerst berechnet, erst dann mit 5 multipliziert; (5 · 2)⁶ wäre falsch.
Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Ein Bestand verdoppelt sich 8-mal. Auf das Wievielfache wächst er?

✓ Antwort: 256
2⁸ = 256. Der Bestand ist danach das 256-Fache des Anfangswerts.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Die Werte 200, 240, 288 wachsen exponentiell weiter. Wie lautet der nächste Wert?

✓ Antwort: 345.6
Faktor: 240 : 200 = 288 : 240 = 1,2. Nächster Wert: 288 · 1,2 = 345,6. Addieren der letzten Differenz (48) ergäbe 336 und wäre linear gerechnet.
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

Ein Pilzgeflecht bedeckt 12 cm² und wird jeden Tag 1,5-mal so groß. Wie viele cm² bedeckt es nach 4 Tagen?

✓ Antwort: 60.75
f(4) = 12 · 1,5⁴ = 12 · 5,0625 = 60,75 cm². Der Faktor 1,5 wird viermal angewendet, nicht 4 · 1,5 = 6 mal.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Eine Zelle verdoppelt sich jede Stunde. Nach wie vielen Stunden sind es erstmals mehr als 5000 Zellen?

✓ Antwort: 13
2¹² = 4096 ist noch kleiner als 5000, 2¹³ = 8192 ist größer. Also sind es nach 13 Stunden erstmals mehr als 5000 Zellen.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Anna legt 100 € an und bekommt jeden Monat 30 € dazu. Ben legt 100 € an, sein Guthaben wird jeden Monat mit 1,3 multipliziert. Stelle beide Guthaben für die Monate 0 bis 4 in einer Tabelle dar. Zeige durch Differenzen bzw. Quotienten, welche Entwicklung linear und welche exponentiell ist, und gib an, ab welchem Monat Ben mehr Geld hat als Anna. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Anna: 100, 130, 160, 190, 220 (Differenz immer 30, linear, f(n) = 100 + 30n). Ben: 100, 130, 169, 219,70, 285,61 (Quotient immer 1,3, exponentiell, f(n) = 100 · 1,3ⁿ). Im Monat 1 sind beide gleichauf (130 €), im Monat 2 liegt Ben mit 169 € vor Anna mit 160 €. Ab Monat 2 hat Ben mehr.
Bei Anna ist die Differenz immer 30, bei Ben ist der Quotient immer 1,3. Im Monat 1 sind beide gleichauf, ab Monat 2 (169 gegen 160) liegt Ben vorn und der Abstand wird größer.