lesson s w exponential models logarithms b a s...

41
SACWAY™ STUDENT HANDOUT Lesson 4.2.1 SACWAY Exponential Models & Logarithms BRAINSTORMING ALGEBRA &STATISTICS © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ STUDENT HANDOUT STUDENT NAME DATE INTRODUCTION The Cell Cycle The cell cycle is the process by which living cells replicate. The cell cycle is a relatively constant time period during which cells reproduce. For most mammals, the average cell cycle is very nearly one day. At the end of this cycle, a single cell experiences cytokinesis, where it divides into two cells. At the end of another cycle, each of these cells divides, and then there are four cells. In the discussion that follows, we assume that a population of cells grows from a single cell (beginning on day 0). This population will have adequate space and nutritional resources to allow continuous growth, and that no cells cease replication through a given time period. We begin by choosing a cell which has a cycle of 1 day. 1. Use a calculator with an exponent button ([x y ] or [^]) to complete the table below. t (Days) A (Number of cells) Rewrite A as a power of 2. 0 1 1=2 0 1 2 2=2 1 2 3 4 5 6 7 8 15 19 t Figure 1: The cell cycle. From The Cell Cycle: Principles of Control by David O. Morgan. ©1999 – 2007, New Science Press. Used by permission.

Upload: vukhanh

Post on 09-Jul-2018

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

SACWAY™ STUDENT HANDOUT 

 

Lesson 4.2.1  SACWAY Exponential Models & Logarithms  BRAINSTORMING ALGEBRA & STATISTICS 

 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA   A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT    

STUDENT NAME      DATE     

 

 INTRODUCTION  The Cell Cycle    

The cell cycle is the process by which living cells replicate.  The cell cycle is a relatively constant time period during 

which cells reproduce.  For most mammals, the average cell cycle is very nearly one day.  At the end of this cycle, a 

single cell experiences cytokinesis, where it divides into two cells.  At the end of another cycle, each of these cells 

divides, and then there are four cells. In the discussion that follows, we assume that a population of cells grows 

from a single cell (beginning on day 0).  This population will have adequate space and nutritional resources to 

allow continuous growth, and that no cells cease replication through a given time period.  We begin by choosing a 

cell which has a cycle of 1 day. 

 

1. Use a calculator with an exponent button ([xy] or [^]) to complete the table below.   

 t 

(Days) A 

(Number of cells) 

Rewrite A  as a power 

of 2. 0  1  1 = 20 

1  2  2 = 21 

2   

3   

4   

5   

6     

7     

8     

⋮  ⋮  ⋮ 15   

19     

⋮  ⋮  ⋮ t  →   

    

Figure 1: The cell cycle. From The Cell Cycle: Principles of Control by David O. Morgan. ©1999 – 2007, New Science Press.  Used by permission. 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  2   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

2. Write an exponential equation that gives the number of cells, A, after t days. 

 A =    

 3. Use trial and error on your calculator to estimate the time when there will be 2048 cells.  In 

doing so, you are solving the equation 2t = 2048.     Keep in mind that the equation which you have created is only a model, a function which estimates the number of cells after t days.  It will not be perfectly correct, because all cell cannot be expected to complete their cycles in exactly one day, nor all at the same instant.  In fact, over time, we can expect the cell divisions to occur at any time of the day, as their cycles lose synchronization.    In fact, it is reasonable to expect that, while the experiment proceeds, any positive (whole) number of cells could be observed (up to some maximum number).  When t = 7.65 days, we can expect around  

A = 27.65  200 cells.  4. Use trial and error with the exponential function on your calculator, to find a fractional number 

of days (not a whole number) when there are around 300 cells.  In doing so, you are solving the equation 2t = 300. 

 t = 

 5. Use trial and error with the exponential function on your calculator, to find a fractional number 

of days (not a whole number) when there are around 950 cells.  In doing so, you are solving the equation 2t = 950. 

 t = 

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  3   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

6. Graph your exponential function, A = 2t, below.  Use the points computed in the table from Question 1.  

 7. Use your graph to estimate the (fractional) number of days when there will be 100 cells.      NEXT STEPS  Finding the exponent that causes an exponential function to yield a particular value can be challenging.  This is particularly true when the exponent is not a whole number.  Scientific calculators have a tool which can give the exponent of a base that will yield a particular value.  That tool is called a logarithm.  In problem 7 above you used a graph to determine the power of 2 which will yield 100.  There are multiple ways to use a logarithm to give this answer.  One way is to use a natural logarithm (denoted ln) function as follows (we will talk more about this later): 

ln 100ln 2

The 100 in the expression is the resulting number of cells we were trying to achieve, the 2 is the base of the exponential function.    

0 1 2 3 4 5 6 7 80

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

t

A

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  4   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TRY THESE  8. Use your calculator to evaluate this expression.    

ln 100ln 2

 

 9. How does your answer compare to the value determined graphically in problem 7?     NEXT STEPS  What is a Logarithm?  A logarithm is used to give the value of an exponent in an exponential function.  The simplest form of an exponential function looks like this:  

bx.  In this function, the value, b, is the base of the exponential, and x is the exponent. The logarithm which can tell us the exponent in a base b exponential is a base b logarithm.    Logarithms appear in various forms, but a base b logarithmic function looks like this:  

logb(x)  This logarithm gives the power to which b must be raised to yield x.  That is,  

logb(x) = the power to which b must be raised to yield x.  For example, to evaluate log2(32), we ask “2 to the what yields 32?”  Since 2 32, we know the answer is 5. 

log2(32) = 5  Evaluating the logarithm, log2(32) is equivalent to solving the equation 2

t = 32.  In summary, to evaluate logb(x), we ask the equivalent question, “b to the what yields x?”

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  5   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TRY THESE  10. Give questions and equations that are equivalent to the logarithms below.  Finally, solve the 

equations.  

Logarithm  Equivalent Question  Equation  Solution  

log2(8)  2 to the what yields 8?  2t = 8  3 

log3(81) 

log5(5) 

log7(49) 

 11. Exponential equations have a variable in an exponent. We often solve them using logarithms.  

In the table below, convert the equation to a question, then a logarithm, and solve it.  

Equation  Equivalent Question  Logarithm  Solution  

3t = 9  3 to the what yields 9?  log3(9)  2 

10t = 1000 

20t = 20 

3t = 243 

 NEXT STEPS  There are many types of logarithms, but your calculator only has a few.  To evaluate logarithms, we use a mathematical trick to convert them to the natural logarithm like this:  

loglnln

 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  6   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TRY THESE  12. Use your calculator to evaluate the logarithms below.  

Equation  Logarithm  Convert to natural logarithm    Evaluate  

4t = 9  log4(9)    1.585 

7x = 135 

9x = 1000 

5x = 252 

 SUMMARY  Let’s summarize what we know about logarithms.  

I. To evaluate the logarithm logb(x) ask “b to the what yields x?” II. The equation bt = x asks the same question:  “b to the what yields x?” 

It is answered by the logarithm:  t = logb(x). III. To evaluate a logarithm on a calculator, we use a trick to convert to the natural 

logarithm (ln).

loglnln

 

 TRY THESE  Refer back to the exponential model which you used to quantify the number of cells in the population described in Problem 2.  Use logarithms to determine when there will be approximately 3500 cells.  13. Rewrite the problem as an equation, using the model from 2, where the number of cells is A = 

3500.  Next, rewrite the equation as a base 2 logarithm, then evaluate on your calculator using the natural logarithm function.  

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  7   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TAKE IT HOME 

Before answering the questions below, review the following rule of exponents:  

b0 = 1 for any number a, a≠0.  For example: 20 = 1, and also 150 = 1. 

 1 Rewrite each of the following logarithmic expressions as an exponential equation and then solve.  

(See #10 above). 

 a. log2(4) = 

b. log3(27) = 

c. log6(6) = 

d. log2(32) = 

e. log5(125) = 

f. log3(3) = 

g. log5(1) = 

2 Rewrite each of the following exponential equations as a logarithmic expression and then 

solve for t.  (See Question 11 in the classroom activity above.) 

 a. 3t = 81 

b. 2t = 16 

c. 5t = 625 

d. 2t =128 

e. 3t = 1 

f. 4t = 64 

g. 5t = 5 

 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  8   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

3 Write the following exponential equations as a logarithmic expression and use your calculator 

to evaluate your answer.  (See Question 12 in the classroom activity above.) 

 a. 2x = 7 

b. 5n = 100 

c. 3z = 65  

d. 2t = 70 

e. 3t = 300 

f. 4w = 190 

g. 9r = 250 

 

4 The exponential equation below is used to model the number of people who live in 

Washmont City, where A represents the number of people who live in Washmont after t 

years. 

A = 3t 

a. Estimate the number of people who will be living in Washmont after 10 years? (What 

is the value of A when t = 10?)  Round your answer to the nearest whole person.    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  9   

Lesson 4.2.1  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

b. Estimate the number of years required for the population of Washmont to reach 2000 

people?  (What is the value of t when A = 2000?)  Round your answer to the nearest 

hundredth. 

    

5 The exponential equation below is used to model the population of bacteria in a culture, 

where A represents the number of bacteria present after t days.   

 

A = 5.4t 

 

a. Estimate the number of bacteria that will be present after 4 days?  (What is the value 

of A when t = 4?) 

 

 

 

 

 

b. Estimate the number of days for 300 bacteria to be present? (What is the value of t 

when A = 300?)  Round your answer to the nearest hundredth. 

 

 

 

SACWAY™ STUDENT HANDOUT 

 

Lesson 4.2.2  SACWAY Exponential Models & Logarithms  BRAINSTORMING ALGEBRA & STATISTICS 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

 STUDENT NAME      DATE     

 INTRODUCTION  Compound Interest  

When you invest money in a fixed‐rate interest earning account, you 

receive interest at regular time intervals.  The first time you receive 

interest, you receive a percentage of your initial investment (the 

principal).  After that, you continue to receive interest from your 

principal, but your previous interest also earns interest.  This excellent 

phenomenon is known as compound interest. 

 

Suppose that you have a fixed‐rate interest earning account which earns 

8% interest at the end of every year, and that you have deposited 

$10,000.  Let’s call the time of the initial investment t = 0. 

 

1. How much money will be in the account after one year when t = 1?   

(Remember to count principal plus interest!) 

 

 

2. What percent of the original principal will we earn as interest?  

 

 

3. What percent of the original principal do we get to keep? 

 

 

4. Adding these percentages together, what is the total percentage of the principal that becomes the new 

balance? 

 

 

5. How does this percentage appear in decimal form, if we wish to use it for computing account balances?  

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  2   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

The value you determined in step 5 is a multiplier for determining a given year’s balance.  If we multiply the 

principal by this value 3 times, we would get the balance on the third year.  Fill in the balances for the given years 

in the table below.  The year 2 balance is provided.  See if you can get the same value. 

 

t (Years)

A(Account Balance)

0  10000 

2  11664 

5   

 

6. Maybe you determined the year 4 balance by multiplying by the interest multiplier four times.  How could you 

do this more efficiently by using the exponent button on your calculator? 

 

 

 

 

7. Describe a method for determining the account balance in 25 years, using mathematical exponents. 

 

 

 

 

8. Compute the balance for the years in the table below.  Use the exponent function on your calculator. 

 

t (Years)

A(Account Balance)

15   

25 

 

9. Write an equation that gives the account balance, A, after t years.  The equation should use exponents.   

 

A = 

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  3   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

10. Graph your exponential function below.  Note that you have already computed the balance for several years 

above.  Compute a few additional points to help complete the picture. 

 

 11. Use your graph to estimate the time when the account will contain $40000.    NEXT STEPS  If all went as planned, you discovered a formula for computing compound interest, when interest is earned once each year.  If P is the principal, the initial deposit, of some investment into a fixed‐rate interest earning account, and r is the annual interest rate, then the multiplier for determining the next year’s balance is 1 + r (keep 100% of the original investment and add in a proportion of r for interest.  Remember, the multiplier needs to be in decimal, not percentage, form).  The balance at year t = 1 is A = P(1 + r).  The balance at year t = 2 is  A = P(1 + r)2.    At year t, the balance is  

A = P(1 + r)t  This is an exponential function, because the only changing quantity is the variable t in the exponent.  The multiplier, 1 + r, is the base of the exponent.   

0 5 10 15 20 250

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

t

A

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  4   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TRY THESE  12. Suppose you invest $5000 at 12% annual interest in a fixed‐rate interest earning account, 

where interest is compounded once each year.  What will the account balance be in 10 years?   

13. What will the account balance be in 30 years?    

 NEXT STEPS  In reality, interest earning accounts receive interest more than once a year.  Suppose an account earns 8% interest, compounded quarterly (four times a year).  When this occurs, the 8% is divided by four, and you only receive 2% at each compounding.  This is actually better because it gives your interest more times to compound, and in the end you earn slightly more than 8% annually.  If the investment is for 10 years, you would actually receive interest 4⋅10 = 40 times.  In general, when the annual interest rate is r, and interest is compounded n times each year, the actual rate is r/n, so the multiplier for computing interest is 1 + r/n.  Interest is earned n⋅t times, so the exponent for the multiplier is n⋅t.  These ideas give a new compound interest formula,  

1 ⁄ .  In this equation, A is account balance, P is principal, r is annual interest rate, t is time in years, and n is the number of times interest is compounded each year.   TRY THESE  14. Suppose you invest $2500 at 10%, compounded quarterly, in a fixed‐rate interest earning 

account.  How much will you have in 17 years?    

15. How much will you have in 25 years?     

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  5   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

 NEXT STEPS  In our last lesson, we learned how to use logarithms to solve for an exponent in an equation.  We learned that  

logb(x) = the power to which b must be raised to yield x,  and that, to evaluate logb(x), we simply ask “b to the what yields x?”.  For example, to evaluate log6(216), we ask, “6 raised to the what yields 216?”.  Since 6

3 = 216, the answer is 3.  

log6(216) = 3  TRY THESE  Evaluate the following logarithms without a calculator.  16. log2(64) = 

 

17. log5(125) = 

 

18. log9(81) = 

 

19. log4(47) = 

 

20. log6(615) = 

 

21. logb(bx) = 

 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  6   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

NEXT STEPS  Also in our last lesson, we learned to evaluate logarithms with a calculator.  We learned that calculators have a special logarithm function called the natural logarithm, which is denoted as ln.  With the natural logarithm, we can evaluate any logarithm as follows.  

loglnln

 TRY THESE  Evaluate the following logarithms with a calculator.  22. log6(100) = 

 23. log8(475) = 

 24. log10.5(1298) = 

 25. log7(7

123) =  

26. log12(1226) = 

  NEXT STEPS  If you paid attention during the two previous problem sets, you may have discovered a principal in logarithms.  If you did not see it, check again.  Look at problems 19, 20, 24, 25, 26, but look particularly at problem 21, which says it all.  If this was done correctly it tells us that  

logb(bu) = u. 

 This key idea is really the main purpose of logarithms.  It tells us that if a logarithm is applied to an exponential of the same base, it gives us the exponent.  The logarithm is the inverse operation of the exponential.     

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  7   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

Watch how we use this idea to solve the following equation.  

1000 ⋅ 1.10 20000  

1000 ⋅ 1.10 20000  Here is our given equation. 

1000 ⋅ 1.10 1000

200001000

 We need to isolate the exponential, so we divide by 1000. 

1.10 20  The exponential is isolated.  Its base is 1.10. 

log . 1.10 log . 20  Here we apply a logarithm of the same base to each side of the equation. 

2 log . 20   Now we use the rule that logb(bu) = u. 

2ln 20ln 1.1

 Convert to a natural logarithm to evaluate on a calculator. 

2 31.4314 We have isolated 2x, but now we must divide by 2 to finish. 

22

31.43142

  Divide by 2. 

15.7157  Here is the final answer. 

 We can verify this final answer by substituting into the original equation:  

1000 ⋅ 1.10 . 20000.002  The solution found above is quite close to being exact.  In summary, to solve an exponential equation,  

I. Isolate the exponential (the base which is raised to a power). II. Apply a logarithm of the same base as the exponential to each side. III. Use the rule logb(b

u) = u to simplify the equation. IV. Evaluate the resulting expression with a calculator using the rule  

logb(x) = ln(x)/ln(b).    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  8   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TRY THESE  Use the steps above to solve the equations below.  27.   3⋅1.23x = 93 

       

28.   36⋅0.952x = 18        Recall that the balance of a fixed‐rate interest earning account is given by the formula:  

1 . 

 In this equation, A is account balance, P is principal, r is annual interest rate, t is time in years, and n is the number of times interest is compounded each year.  29. Suppose you invest $12000 in a fixed‐rate interest earning account, at 9% interest, 

compounded n = 4 times each year.  Substitute the values given into the equation for compound interest above.   

   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  9   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

30. When will the account contain $20000?  Solve your equation for the variable, t.          

31. Suppose the account earned 12% interest, compounded twice a year.  When would it contain $20000? 

     

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  10   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

TAKE IT HOME  

1 Art puts $15500 in a bank account earning 6% interest.  If the interest is compounded monthly (12 times a year) how much money will Art have in his account after 3 years?     

2 Ronda has $2300 in an investment earning 4% interest.  If the interest is compounded semi‐annually 

(two times a year), answer the following: 

 

a. For each value of t given in the table, find the amount of money that Ronda will have in her 

account after that many years.  Record your answers in the space provided in the table 

below. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b. Use the values above to graph a curve that models the amount of money Ronda has in her 

account after t years. 

 

    

0 5 10 15 20 25 30 350

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

t

A

Value of t  A 

5   

10   

15   

20   

25   

30   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  11   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

c. Use the graph in part (b) to approximate how many years it will take Ronda to have $3500 in 

her account. 

 

 

 

 

d. Use logarithms to find the number of years it will take Ronda to have $3500 in her account.  

(See problems 29‐31 in the lesson above) 

 

 

 

 

 

 

 

3 Scott would like to buy a car in 4 years.  He needs $25000 to buy a new car.  Currently Scott has 

$19000 and he has decided to place the money in a bank account and earn interest in hopes that he 

will be able to buy his new car in 4 years.  If he places the money in an account that earns 4% 

interest that compounds annually, will he reach his goal of $25000 in four years? 

 

 

 

 

 

 

4 Evaluate the following logarithms without the use of a calculator.  (See #16‐21 above) a. log3(3) = 

b. log2(128) = 

c. log4(64) = 

d. log7(712) = 

e. log5(59) = 

5 Evaluate the following logarithms using a calculator.  (See #22‐26 above) a. log2(91) = 

b. log3(19) = 

c. log7(213) = 

d. log4(434) = 

e. log2(214) = 

   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  12   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

6 Solve the following equations.  (See Questions 27 & 28 in the above classroom activity.) 

 

a. 63.42t  = 87 

b. 59.13x = 130 

c. 40.322t = 3 

d. 70.974x = 4

 

For the following problems, refer to Questions 29 through 31 from the classroom activity in this 

handout. 

 

7 If you placed $34000 in an account that earned 5% interest, compounded yearly, how much 

time would it take to have a balance of $45000? 

 

 

 

 

 

8 Akira has $12000 to put in the bank.  He found an account that earns 6% interest and is 

compounded quarterly.  How long will Akira need to keep his money in that account if he 

wants to have a total of $30000? 

 

 

 

 

 

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  13   

Lesson 4.2.2  Exponential Models & Logarithms 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

9 Paula needs $10000 for a down payment on a car; currently she has $5000.  Paula is going to 

deposit her money in an account that earns 7% interest and compounds monthly.  How long 

will Paula need to keep her money in the account? 

 

 

 

SACWAY™ STUDENT HANDOUT 

 

Lesson 4.3.1  SACWAY The Natural Exponential and Logarithm  BRAINSTORMING ALGEBRA & STATISTICS 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

STUDENT NAME      DATE     

 

 INTRODUCTION  Review  

In our previous lesson, we learned that fixed‐rate interest earning 

accounts grow according to the compound interest formula, 

 

1 . 

 

In this formula, A is account balance at time t, P is the principal (the initial 

investment), r is the annual interest rate, and n is the number of times that the account earns interest each 

year. 

 

 

TRY THESE  

1. Suppose you invest $15000 at 10% annual interest, compounded semi‐annually (n = 2).  What will the 

account balance be in 10 years? 

 

 

Suppose you invest $15000 at 10% interest, compounded semi‐annually.  You wish to know the time when 

your money has doubled (so the account balance is A = $30000). 

 

 

2. Substitute all known values into the compound interest equation.  There should be only one unknown, t.  

Simplify the expression. 

 

 

 

3. Isolate the exponential by dividing each side by the principal. 

 

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  2   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

4. What is the base of the exponential? 

 

  

5. Apply a logarithm of the same base to each side, and simplify using the fact that logb(bu) simplifies to u 

(in this formula, the base is b). 

 

 

 

 

 

6. Change the logarithm in the equation to a natural logarithm using the rule: log .  Evaluate 

the result on your calculator. 

 

 

 

 

 

7. Solve the equation for time, t, when the account balance has doubled to $30000. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NEXT STEPS  

Continuous Growth  

We have mentioned that the more times that interest is applied to a fixed‐rate interest earning account, the 

more money you will earn.  This is because more compoundings means more times for your interest to earn 

interest.  But, is there a limit to this?  What if compound interest every hour?  What about every minute or 

second?  If we could compound interest every second, our account balance would nearly be growing 

continuously! 

 

To investigate whether our money growth is limited with increased compounding, let’s look at an 

extraordinarily unrealistic example to see where things go. 

 

You have found a fixed‐interest earning bank account that earns interest as many times a year as you would 

like, at an interest rate of 100%.  The only catch is that the biggest principal you can invest is $1.  The 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  3   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

question we need to answer is how many compoundings per year should we suggest in order to maximize 

your account balance. 

 

You invest a principal of P = $1.  The interest rate is r = 100% = 1.00. You decide to invest the money for 1 

year initially, so t = 1.  We will experiment with different values of n to see how we can maximize the return 

on our investment.  The compound interest formula becomes: 

1

11

 

If we decide to compound interest once, then n = 1, and the balance at 1 year would be 

111

That makes sense.  After 1 year at 100% interest our $1 principal has grown to $2.  Not a very enticing investment.  But, if we decide to compound more frequently, what would that do to our investment?  Let’s compound interest twice, where n = 2.  At the end of year 1 our balance is 

112

2.25 

Incredible!  Semi‐annual compounding has earned us an extra $0.25!  Kaa‐ching!  Let’s look deeper.  Fill in the table for account balances corresponding to increasing values of n. 

 n

(compoundings)A=(1+1/n)n

1  2 

2  2.25 

100 

10,000 

1,000,000   

10,000,000   

 

8. Is your investment growing without limit?  Should you look for other ways to get rich? 

 

 

 

 

9. What is the limiting value that your investment is approaching?    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  4   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

NEXT STEPS  

If all went well, you learned that more compoundings per year does increase your earnings.  Unfortunately, 

you also learned that there is a limit to those earnings.  As the number of compoundings per year 

approaches infinity, your account balance approaches a number that mathematicians call e. 

 

e = 2.718281828459… 

 

 

The Base of the Natural Exponential  

The number, e, is very special in mathematics.  In fact, you have discovered that the mathematical 

expression, 

11

 

approaches e as n increases without limit. 

 

In our example, it discovered that the balance of an account which earns interest almost continuously 

approaches e.  In fact, it is not difficult to show, that if we do compound interest continuously, the account 

balance formula becomes 

.  

Here we see e as the base of an exponential function that models continuous growth.  To compute an 

exponential, base e, on your calculator, look for the [ex] key. 

  

TRY THESE  

10. Suppose that you deposit $10000 at 7% interest into a fixed‐rate continuously compounded interest 

account.  What is the formula for the account balance? 

 

 

 

11. What will be the account balance in 5 years? 

 

 

 

 

12. Use trial and error to find the time when your account balance has doubled from the principal 

investment (when A = $20000). 

 

 

 

   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  5   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

13. Compute the account balance, A, corresponding to the times, t, in the table below.  

t  A 

0 $10000612

1824

 

14. Plot the continuously compounded interest function below. 

 

 15. From the graph, visually estimate the time when the account balance is $20000.     

 NEXT STEPS 

 We know that every exponential function, bx, there is a logarithm of the same base, logb(x), that returns the exponent: 

logb(bu) = u. 

Now that we have learned of the natural exponential function, ex, it is time to formally define its corresponding logarithm, the natural logarithm, loge(x).  The natural logarithm is so commonly encountered that it has been given a shorthand notation: ln(x). 

ln(x) is shorthand for loge(x).    

0 6 12 18 240

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

t

A

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  6   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

We have seen the natural logarithm several times, and have used it to evaluate other logarithms.  For now, the most important fact about the natural logarithm is that it returns the exponent of the natural exponential. 

ln(eu) = u. 

  

TRY THESE  16. Refer again to our $10000 investment into a fixed 7% interest earning account.  Using the 

continuously compounded interest formula, solve for the time when the account balance is equal to $20000.  First, divide by the principal, then apply the natural logarithm to each side.  Use your calculator to evaluate.         

17. Does your answer match (roughly) the estimates in Problems 12 and 15?         

18. When will the account balance be $30000?  Use the method from Problem 16 to answer.         

19. Suppose the interest rate is 10%.  When will the account balance reach $100000?    

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  7   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

TAKE IT HOME  There are two main formulas for calculating an account balance.  The first one, shown below, is used when interest is compounded n times per year.   

1  

 The second equation, shown below, is used when interest is compounded continuously.    

A = Pert  For the following questions, make sure you are using the correct equation.  Keep an eye out for key words, when you see continuously compounded you know you need to use the second equation.  Also, if the problem tells you that interest is compounded quarterly or a certain number of times a year, then you are being given a value for n and should be using the first equation.  

1. Samuel is investing $5000 in an account that has an interest rate of 8%.  How much money will 

Samuel have in his account after 3 years if: 

 a. The interest is compounded semi‐annually (2 times a year)? 

b. The interest is compounded monthly (12 times a year)? 

c. The interest is compounded weekly (52 times a year)? 

d. The interest is compounded continuously? 

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  8   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

2. Bianca invests $10000 in an account that has an interest rate of 5%.  The interest is 

compounded continuously.  Use this information to answer the following questions. 

 

a. For each value of t given in the table, find the amount of money that Bianca will have 

in her account after that many years.  Record your answers in the space provided in 

the table below. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b. Use the values above to graph a curve that models the amount of money Bianca has in 

her account after t years. 

 

 c. Use the graph in part (b) to approximate the number of years it will take for Bianca to 

have $25000 in her account.    

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 260

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

t

A

Value of t  A 

5   

10   

15   

20   

25   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  9   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

d. Use logarithms to determine the number of years until Bianca has $25000 in her 

account.  (See Questions 16 – 19 in the lesson above.) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Thomas has $7000 to invest in an account.  He has to choose between two bank accounts.  

Account A has a 4.5% (in decimal form that is 0.045) interest rate and the interest is 

compounded continuously.  Account B has a 5.5% interest rate and the interest is 

compounded quarterly (4 times a year).   

 

a. How much money will be in account A if the money was invested for 2 years? 

 

 

 

 

 

 

b. How much money will be in account B if the money was invested for 2 years? 

 

 

 

 

 

 

c. Which account should Thomas invest in, if he is going to keep the money in the 

account for 2 years? 

 

 

 

    

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  10   

Lesson 4.3.1  The Natural Exponential and Logarithm 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

4. Juan invests $12000 in an account that has a 4.25% (in decimal form that is 0.0425) interest 

rate.  The interest is compounded continuously.  How many years will it take for Juan’s money 

to grow to $20000? 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Samantha invested some money in an account that has a 6% interest rate.  If the interest is 

compounded monthly, and after 5 years Samantha has $15500, how much money did she 

invest initially? 

 

 

 

SACWAY™ STUDENT HANDOUT 

 

Lesson 4.3.2  SACWAY Exponential Growth and Decay  BRAINSTORMING ALGEBRA & STATISTICS 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT  

STUDENT NAME      DATE     

 

 INTRODUCTION  Exponential Growth and Decay.  

In our previous lesson, we experimented with the idea that a 

fixed‐rate interest earning account could grow continuously.  If 

such an account actually existed, the account balance would be 

given by 

 

A = Pert. 

 

In this formula, P is the starting balance, r is the annual interest 

rate, and t is time in years. 

 

In this lesson, we learn that any phenomenon that grows or 

decays exponentially can be modeled by a base e exponential 

model, just like the compound interest formula above. 

 

A generic model which applies to every exponential growth or decay application is 

 

A = A0 ekt. 

 

In this model, A represents an amount of something that grows or decays over time.  The constants A0 and k 

are analogous to P and r in the compound interest formula.  A0 is the initial amount (of something) at time  

t = 0, and k is the instantaneous growth/decay rate.  In a growth model, k is positive, and in a decay model, k 

is negative. 

 

Newton’s Law of Cooling  

As an object cools in a room whose temperature is held constant, its temperature decays exponentially as it 

approaches room temperature (this is Newton’s Law of Cooling).  Let A represent the object’s temperature 

at time t, measured in degrees Celsius above room temperature (so A = 0 is room temperature).  A0 

represents the object’s initial temperature at time t = 0. 

 

The following facts were determined by fitting an exponential model to real temperature values as pictured 

in Figure 1: An exponential decay model..  A temperature probe measured an initial temperature of 18° F (so A0 = 18), above room temperature, and according to the model, it cooled at an instantaneous rate of 1.7% 

(so k = ‐0.017) per second.   

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

2

4

6

8

10

12

14

16

18

time

temp

Figure 1: An exponential decay model.

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  2 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

The exponential decay model for the temperature is  

 

A = 18 e‐0.017t. 

 TRY THESE  

1. How many degrees above room temperature is the object in 30 seconds?  Use the graph in Figure 1 to 

estimate the answer to this question.  

 

 

 

2. Use the exponential decay formula above to answer Question 1 again.  Do your answers agree 

(approximately)? 

 

 

 

Suppose we need to know when the probe will reach 2° above room temperature. 

 

3. Use the graph in Figure 1 to estimate the time when the probe’s temperature is 2° above room 

temperature. 

 

 

 

4. In the exponential decay formula, set the temperature, A, equal to 2° (degrees above room 

temperature), and solve for the time when this occurs.  This is done by first dividing by the initial 

temperature (18°), applying the natural logarithm (ln) to each side, and using the fact that ln(eu) = u. 

 

 

 

 

 

 

5. Does the time in Question 4 agree (approximately) with your estimate from Question 3? 

 

 

 

NEXT STEPS  

When taking medications internally, the amount of medication in the body breaks down over time, decaying 

exponentially.  For example, the pain reliever ibuprofen has an hourly decay rate of about 35% (0.35).     

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  3 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

TRY THESE  

Suppose a person takes an 800 mg tablet of ibuprofen.  Use the fact that ibuprofen has an hourly decay rate 

of 35% to answer the following questions. 

 

6. Give the formula which models the amount of ibuprofen in her body after t hours. 

 

 

 

 

7. If a person takes an 800 mg tablet of ibuprofen, how much remains in her system after 2 hours? 

 

 

 

 

8. Compute the amount of ibuprofen in her body for the times listed in the table below. 

 

t (Hours)

A(Ibuprofen Amount)

0  800 

4   

6   

8   

10   

 

9. Graph the exponential decay model using the points you computed above. 

   

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

100

200

300

400

500

600

700

800

t

A

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  4 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

10. Use the graph above to estimate the half‐life of ibuprofen (the time when only half remains). 

 

 

 

 

11. Using a process similar to that used in Question 4, solve the formula from Question 6 for the half‐life of 

ibuprofen.  Begin by setting the amount of ibuprofen, A, to half of its original amount. 

 

  

 

 

 

 

 

12. Suppose the patient’s doctor does not want her ibuprofen level to drop below 150 mg.  Additionally, it 

should never be above 1000 mg.  Use the graph above to determine how frequently she should take the 

medication. 

 

 

 

 

 13. Using a process similar to that used in Question 4, solve the formula from Question 6 for the time 

when her ibuprofen level reaches 150 mg.  Does this agree with your answer from Question 12? 

     NEXT STEPS  Suppose that a population has initial size 1000 at time t = 0, and grows exponentially with a 20% (0.20) instantaneous annual growth rate.   

TRY THESE  14. Give the formula which models the population size in t years. 

   

   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  5 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

15. Use the formula to estimate the population size in ten years.      

16. Compute the amount of ibuprofen in her body for the times listed in the table below. 

 

t (Hours)

A(Population 

Size)

0  1000 

4   

6   

8   

10   

 17. Graph the exponential growth model using the points you computed above. 

 18. Use your graph above to estimate the time when the population size is 3000. 

   

19. Using the formula from Question 14, solve for the time when the population time is 3000.      

   

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

t

A

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  6 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

20. Use your graph to estimate the population’s doubling time.     

21. Using the formula from Question 14, solve for the population’s doubling time.  

   

   

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  7 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

TAKE IT HOME  

Previously, we examined the radioactivity levels in the Nevada Area 2 test site after 1985.  We determined 

that an exponential model was an appropriate fit for the radiation level after t years. 

 

  

After analysis, it is learned that the exponential model predicts an initial radiation level of 2000.2 mR/yr, 

with an instantaneous decay rate of 5.3%. 

 

1. Use the form, A = A0 ekt, to give the formula for the exponential decay model for the Area 2 radiation 

level after t years. 

 

 

 

2. Use the graph to estimate the ½ life of the radiation at Area 2. 

 

 

 

3. Solve the exponential decay model in Question 1 for the ½ life (by setting the radiation level, A, to 

half of its original amount).    

0 5 10 15 20 25 30200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000Radiation(mR/yr)

Years

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  8 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

4. Use the formula from Question 1 to estimate the time when the radiation level was 500 mR/yr. 

 

 

 

 

 

 

 

In February 2004, Facebook was born as a social networking tool.  The company has been tracking its 

membership since December 2004.  The graph below represents membership counts (in millions) at t 

months, beginning in December 2004 (through July 2010).  An exponential model fits the data appropriately. 

 

  

After analysis, it is learned that the exponential model predicts an initial membership of 3.32 million, and an 

instantaneous growth rate of 6.6%. 

 

5. Use the form, A = A0 ekt, to give the formula for the exponential growth model for the number of 

Facebook members after t months. 

 

 

 

6. Use the graph to estimate the doubling time of the Facebook membership.  This might be easiest by 

estimating the time for the membership to grow from 100 to 200 million. 

 

    

0 10 20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

500

600

Users(millions)

Months

SACWAY STUDENT HANDOUT   |  9 

Lesson 4.3.2  Exponential Growth and Decay 

 

 © 2013 GUTH, YOUNG, AND NITTA A BRAINSTORM OF ALGEBRA AND STATISTICS, VERSION 2.0, SACWAY™ ‐ STUDENT HANDOUT 

 

7. Solve the exponential growth model in Question 5 for the doubling time (by setting the 

membership, A, to twice of its original amount). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Use the formula from Question 5 to estimate the time when the membership was 400 million.