Grippewelle an der Schule
AFB IAn einer Schule wird die Zahl der Krankmeldungen während einer Grippewelle durch \(N(t)=-t^{3}+12t^{2}+15t\) beschrieben; dabei ist \(t\) die Zeit in Tagen mit \(0\le t\le 12\) und \(N(t)\) die Zahl der Krankmeldungen. Material M1 zeigt den Verlauf.
- Berechnen Sie die durchschnittliche Änderungsrate von \(N\) im Intervall \([0;8]\) und geben Sie die Einheit an.
- Bestimmen Sie die lokale Änderungsrate an der Stelle \(t=4\), indem Sie die Sekantensteigungen über \([4;4{,}1]\) und \([4;4{,}01]\) berechnen und den Grenzwert angeben.
- Erläutern Sie den Unterschied zwischen den Ergebnissen aus a) und b) im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(N(0)=0\) und \(N(8)=-512+768+120=376\). Ansatz: \(m=\dfrac{N(8)-N(0)}{8-0}=\dfrac{376-0}{8}=47\). Ergebnis: \(47\ \tfrac{\text{Meldungen}}{\text{Tag}}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(N(4)=-64+192+60=188\); \(N(4{,}1)=194{,}299\) und \(N(4{,}01)\approx188{,}6300\). Sekantensteigungen: \(\dfrac{194{,}299-188}{0{,}1}=62{,}99\) und \(\dfrac{188{,}6300-188}{0{,}01}=63{,}00\). Die Werte streben gegen \(63\); die lokale Änderungsrate beträgt also \(N'(4)=63\ \tfrac{\text{Meldungen}}{\text{Tag}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Wert aus a) ist ein Mittelwert über acht Tage: Von Tag 0 bis Tag 8 kamen im Durchschnitt 47 Meldungen pro Tag hinzu. Der Wert aus b) gilt für einen einzigen Augenblick: Genau an Tag 4 wächst die Zahl der Meldungen mit 63 pro Tag. Die Sekante verbindet zwei Punkte des Graphen, die Tangente berührt ihn in einem.
Vollbremsung auf der Landstraße
AFB IIEin Auto leitet aus voller Fahrt eine Vollbremsung ein. Für den zurückgelegten Bremsweg gilt \(s(t)=20t-2t^{2}\); dabei ist \(t\) die Zeit in Sekunden seit dem Bremsbeginn und \(s(t)\) der Weg in Metern. Das Modell gilt, solange das Fahrzeug rollt.
- Berechnen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit im Intervall \([0;5]\) in \(\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\).
- Bestimmen Sie die Momentangeschwindigkeit zum Zeitpunkt \(t=2\), indem Sie den Differenzenquotienten mit dem Abstand \(h\) aufstellen, vereinfachen und \(h\) gegen null gehen lassen.
- Entscheiden Sie mit demselben Verfahren, zu welchem Zeitpunkt das Fahrzeug zum Stehen kommt, und begründen Sie Ihre Antwort.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(s(5)=100-50=50\). Ansatz: \(m=\dfrac{s(5)-s(0)}{5-0}=\dfrac{50\ \text{m}}{5\ \text{s}}=10\). Ergebnis: \(10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(s(2)=40-8=32\) und \(s(2+h)=20(2+h)-2(2+h)^{2}=40+20h-8-8h-2h^{2}=32+12h-2h^{2}\).
Differenzenquotient: \(\dfrac{s(2+h)-s(2)}{h}=\dfrac{12h-2h^{2}}{h}=12-2h\). Für \(h\to 0\) folgt \(s'(2)=12\), also \(12\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Allgemein: \(s(t+h)-s(t)=20h-2(2th+h^{2})=20h-4th-2h^{2}\), also \(\dfrac{s(t+h)-s(t)}{h}=20-4t-2h\) und damit \(s'(t)=20-4t\). Aus \(20-4t=0\) folgt \(t=5\). Das Fahrzeug kommt nach 5 Sekunden zum Stehen — dort ist die Momentangeschwindigkeit null, der Bremsweg wächst also nicht mehr. Für \(t>5\) ist das Modell nicht mehr sinnvoll, es würde einen rückwärts rollenden Wagen beschreiben.
Talsperre: Annäherung von zwei Seiten
AFB IIDer Wasserstand einer Talsperre wird über zehn Tage hinweg durch \(W(t)=0{,}2t^{3}-3t^{2}+9t+50\) beschrieben; \(t\) ist die Zeit in Tagen, \(W(t)\) der Pegelstand in Zentimetern. Für die Stelle \(t=3\) wurden die Sekantensteigungen aus Material M1 berechnet.
| \(h\) | 1 | 0,5 | 0,1 | 0,01 |
|---|---|---|---|---|
| linksseitig: \(\big[3-h;3\big]\) | −2,20 | −2,95 | −3,478 | −3,588 |
| rechtsseitig: \(\big[3;3+h\big]\) | −4,60 | −4,15 | −3,718 | −3,612 |
- Erläutern Sie anhand von M1, wie sich die links- und die rechtsseitigen Sekantensteigungen mit kleiner werdendem \(h\) verhalten.
- Geben Sie die lokale Änderungsrate \(W'(3)\) mit Einheit an und deuten Sie sie im Sachzusammenhang.
- Begründen Sie, warum es für die lokale Änderungsrate notwendig ist, dass beide Seiten gegen denselben Wert streben.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mit kleiner werdendem \(h\) wachsen die linksseitigen Werte (von \(-2{,}20\) auf \(-3{,}588\)), während die rechtsseitigen fallen (von \(-4{,}60\) auf \(-3{,}612\)). Beide Zeilen nähern sich einander an: Der Abstand schrumpft von \(2{,}40\) bei \(h=1\) auf nur noch \(0{,}024\) bei \(h=0{,}01\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(W'(3)=-3{,}6\ \tfrac{\text{cm}}{\text{d}}\). Deutung: Am dritten Tag fällt der Pegel — und zwar in diesem Augenblick mit einer Geschwindigkeit von 3,6 Zentimetern pro Tag. Das Minuszeichen gehört zur Aussage.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die lokale Änderungsrate ist als Grenzwert des Differenzenquotienten definiert und soll die Steigung einer Tangente angeben. Eine Gerade hat nur eine einzige Steigung. Strebten die Sekanten von links und von rechts gegen verschiedene Werte, gäbe es keine eindeutige Tangentensteigung — die Funktion wäre an dieser Stelle nicht differenzierbar (etwa bei einer Knickstelle).
Regenwassertank: eine Behauptung prüfen
AFB IIIMaterial M1 zeigt den Wasserstand in einem Regenwassertank über zehn Stunden. Er wird durch \(W(t)=0{,}2t^{3}-3t^{2}+10t+30\) beschrieben (\(t\) in Stunden, \(W(t)\) in Zentimetern). Ein Schüler behauptet: „Wenn sich der Wasserstand nach zehn Stunden nicht geändert hat, dann hat sich zwischendurch überhaupt nichts geändert.“
- Berechnen Sie die durchschnittliche Änderungsrate von \(W\) im Intervall \([0;10]\).
- Bestimmen Sie mit dem Differenzenquotienten und \(h\to 0\) die lokale Änderungsrate an der Stelle \(t=1\).
- Beurteilen Sie die Behauptung des Schülers.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(W(0)=30\) und \(W(10)=200-300+100+30=30\). Ansatz: \(m=\dfrac{W(10)-W(0)}{10-0}=\dfrac{0\ \text{cm}}{10\ \text{h}}=0\). Die durchschnittliche Änderungsrate ist null.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(W(1)=0{,}2-3+10+30=37{,}2\) und \(W(1+h)=37{,}2+4{,}6h-2{,}4h^{2}+0{,}2h^{3}\).
Differenzenquotient: \(\dfrac{W(1+h)-W(1)}{h}=4{,}6-2{,}4h+0{,}2h^{2}\). Für \(h\to 0\) folgt \(W'(1)=4{,}6\), also \(4{,}6\ \tfrac{\text{cm}}{\text{h}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Behauptung ist falsch. Die mittlere Rate null besagt nur, dass Anfangs- und Endwert übereinstimmen — der Tank enthält nach zehn Stunden genauso viel Wasser wie zu Beginn. Über den Verlauf sagt sie nichts: Nach einer Stunde steigt der Wasserstand mit \(4{,}6\ \tfrac{\text{cm}}{\text{h}}\), zwischendurch erreicht er laut M1 rund 40 cm und fällt später auf etwa 20 cm. Anstieg und Absinken heben sich in der Bilanz gerade auf.
Produktionskosten: wo Mittelwert und Momentanwert gleich sind
AFB IIIDie Gesamtkosten eines Betriebs werden durch \(K(x)=0{,}5x^{2}+20x+400\) beschrieben; \(x\) ist die produzierte Menge in Mengeneinheiten (ME), \(K(x)\) sind die Kosten in Euro.
- Berechnen Sie die durchschnittliche Änderungsrate von \(K\) im Intervall \([10;30]\) und deuten Sie das Ergebnis als mittlere Kosten je zusätzlicher Mengeneinheit.
- Bestimmen Sie mit dem Differenzenquotienten und \(h\to 0\) diejenige Stelle \(x_0\), an der die lokale Änderungsrate genau diesen Wert annimmt.
- Begründen Sie, warum diese Stelle bei jeder quadratischen Kostenfunktion genau in der Mitte des Intervalls liegt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K(10)=50+200+400=650\) und \(K(30)=450+600+400=1450\). Ansatz: \(m=\dfrac{1450-650}{30-10}=\dfrac{800\ €}{20\ \text{ME}}=40\). Ergebnis: \(40\ \tfrac{€}{\text{ME}}\) — im Mittel kostet in diesem Bereich jede zusätzliche Mengeneinheit 40 Euro.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K(x_0+h)-K(x_0)=0{,}5\big(2x_0h+h^{2}\big)+20h=x_0h+0{,}5h^{2}+20h\), also \(\dfrac{K(x_0+h)-K(x_0)}{h}=x_0+20+0{,}5h\). Für \(h\to 0\) folgt \(K'(x_0)=x_0+20\).
Ansatz: \(x_0+20=40 \Rightarrow x_0=20\). Bei einer Produktionsmenge von 20 ME stimmt die momentane Kostensteigerung genau mit dem Mittelwert über \([10;30]\) überein.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei einer quadratischen Funktion \(K(x)=ax^{2}+bx+c\) ist die lokale Änderungsrate \(K'(x)=2ax+b\) eine lineare Funktion. Die durchschnittliche Änderungsrate über \([u;v]\) ist \(\dfrac{K(v)-K(u)}{v-u}=a(u+v)+b\); das ist genau der Wert von \(K'\) an der Stelle \(\dfrac{u+v}{2}\). Weil eine lineare Funktion ihren Mittelwert stets in der Intervallmitte annimmt, liegt \(x_0\) immer dort — hier also bei \(\dfrac{10+30}{2}=20\).
