Produktionskosten einer Schreinerei
AFB IDie Gesamtkosten einer Schreinerei werden durch \(K(x)=0{,}1x^{3}-3x^{2}+40x+200\) beschrieben; \(x\) ist die Zahl der gefertigten Stühle und \(K(x)\) sind die Kosten in Euro. Die Ableitung \(K'\) heißt in der Wirtschaft Grenzkostenfunktion.
- Bestimmen Sie \(K'(x)\) mit Summen- und Faktorregel.
- Berechnen Sie \(K'(10)\) und deuten Sie den Wert im Sachzusammenhang.
- Erläutern Sie, warum der Summand \(200\) in \(K'\) nicht mehr auftaucht.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K'(x)=0{,}1\cdot 3x^{2}-3\cdot 2x+40=0{,}3x^{2}-6x+40\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K'(10)=0{,}3\cdot 100-60+40=30-60+40=10\), also \(10\ \tfrac{€}{\text{Stuhl}}\). Deutung: Sind bereits zehn Stühle in Arbeit, so verursacht der nächste Stuhl zusätzliche Kosten von etwa 10 Euro.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die 200 € sind Fixkosten: Sie fallen unabhängig von der Stückzahl an. Als konstanter Summand verschiebt \(200\) den Graphen von \(K\) nur nach oben, ohne seine Steigung zu verändern. Die Ableitung einer konstanten Funktion ist null, deshalb verschwindet der Summand beim Ableiten. Fixkosten beeinflussen also die Gesamtkosten, nicht aber die Grenzkosten.
Wirkstoff im Blut
AFB IINach der Einnahme eines Medikaments wird die Konzentration des Wirkstoffs im Blut durch \(c(t)=0{,}25t^{3}-3t^{2}+9t\) beschrieben; \(t\) ist die Zeit in Stunden mit \(0\le t\le 6\) und \(c(t)\) die Konzentration in \(\tfrac{\text{mg}}{\ell}\) (Material M1).
- Bestimmen Sie \(c'(t)\).
- Berechnen Sie die Zeitpunkte mit \(c'(t)=0\) und deuten Sie beide im Sachzusammenhang.
- Berechnen Sie \(c'(1)\) und \(c'(4)\) und vergleichen Sie die beiden Werte.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(c'(t)=0{,}75t^{2}-6t+9\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(0{,}75t^{2}-6t+9=0 \Leftrightarrow t^{2}-8t+12=0 \Leftrightarrow t_{1{,}2}=4\pm\sqrt{16-12}=4\pm 2\), also \(t_1=2\) und \(t_2=6\).
Deutung: Bei \(t=2\) ist die Konzentration mit \(c(2)=2-12+18=8\ \tfrac{\text{mg}}{\ell}\) am größten — der Wirkstoffspiegel ändert sich dort momentan nicht mehr. Bei \(t=6\) endet der Abbau; die Konzentration hat mit \(c(6)=54-108+54=0\) den Wert null erreicht und ändert sich ebenfalls nicht mehr.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(c'(1)=0{,}75-6+9=3{,}75\ \tfrac{\text{mg}}{\ell\cdot\text{h}}\) und \(c'(4)=12-24+9=-3\ \tfrac{\text{mg}}{\ell\cdot\text{h}}\).
Vergleich: Eine Stunde nach der Einnahme steigt die Konzentration mit 3,75 Einheiten je Stunde an, nach vier Stunden fällt sie mit 3 Einheiten je Stunde ab. Der Anstieg zu Beginn ist also etwas schneller als der spätere Abbau — das passt zum Verlauf in M1, der links vom Hochpunkt steiler ist als rechts davon.
Zwei Solarparks unterschiedlicher Größe
AFB IIEin kleiner Solarpark A liefert an einem Sommertag die Energie \(E_A(t)=-0{,}5t^{2}+6t\) (in MWh), gemessen ab 6 Uhr morgens mit \(t\) in Stunden, \(0\le t\le 12\). Ein zweiter Park B ist baugleich, aber dreimal so groß; für ihn gilt \(E_B(t)=3\cdot E_A(t)\).
- Bestimmen Sie \(E_A'(t)\) und \(E_B'(t)\).
- Berechnen Sie beide Änderungsraten zum Zeitpunkt \(t=2\) und vergleichen Sie sie.
- Begründen Sie mit der Faktorregel, warum beide Parks ihre größte Leistung zum selben Zeitpunkt erreichen.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(E_A'(t)=-t+6\) und \(E_B'(t)=3\cdot E_A'(t)=-3t+18\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(E_A'(2)=4\ \text{MW}\) und \(E_B'(2)=12\ \text{MW}\). Park B liefert um 8 Uhr genau die dreifache Leistung von Park A — dasselbe Verhältnis wie bei den Energiemengen selbst.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Nach der Faktorregel gilt \(E_B'(t)=3\cdot E_A'(t)\). Ein Produkt ist genau dann null, wenn einer der Faktoren null ist; da \(3\neq 0\), gilt \(E_B'(t)=0\) genau dann, wenn \(E_A'(t)=0\). Beide Ableitungen haben also dieselben Nullstellen — hier \(t=6\), also 12 Uhr mittags. Der Faktor 3 streckt den Graphen nur in \(y\)-Richtung; die Lage der Extremstellen bleibt davon unberührt.
Fehlersuche in einer Schülerlösung
AFB IIIMaterial M1 zeigt die Notiz einer Schülerin, die \(f(x)=4x^{3}-2x^{2}+7x-5\) ableiten und anschließend \(f'(2)\) berechnen wollte.
\(f'(x)=12x^{2}-4x^{2}+7x-5\)
\(f'(2)=48-16+14-5=41\)
- Überprüfen Sie die Notiz und nennen Sie alle Fehler.
- Bestimmen Sie die korrekte Ableitung und berechnen Sie \(f'(2)\).
- Begründen Sie mit der Summenregel, warum beim Ableiten jeder Summand einzeln behandelt werden darf.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Erster Fehler: Aus \(-2x^{2}\) wurde \(-4x^{2}\) statt \(-4x\) — der Exponent wurde nicht um 1 verringert.
Zweiter Fehler: Der Summand \(7x\) wurde unverändert übernommen; richtig ist \(7\). Dritter Fehler: Die Konstante \(-5\) wurde mitgeschleppt; ihre Ableitung ist \(0\). Der Faktor bei \(x^{3}\) ist dagegen korrekt: \(4\cdot 3=12\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f'(x)=12x^{2}-4x+7\). Damit ist \(f'(2)=12\cdot 4-8+7=48-8+7=47\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Summenregel besagt \((u+v)'=u'+v'\): Die Ableitung einer Summe ist die Summe der Ableitungen. Wendet man sie mehrfach an, gilt sie auch für vier Summanden. Deshalb darf jeder Term für sich abgeleitet werden — und deshalb wirkt sich ein Fehler bei einem Summanden nicht auf die anderen aus. Für Produkte oder Quotienten gilt eine solche Regel dagegen nicht.
Eine Kurve nach Vorgaben bauen
AFB IIIFür den geplanten Übergang zwischen zwei Bahngleisen wird die Funktion \(f\) mit \(f(x)=x^{3}+ax^{2}+bx\) verwendet; \(a\) und \(b\) sind reelle Parameter. Die Trasse soll an der Stelle \(x=1\) eine waagerechte Tangente besitzen, und im Ursprung soll die Steigung \(-3\) betragen.
- Bestimmen Sie \(f'(x)\) in Abhängigkeit von \(a\) und \(b\).
- Berechnen Sie \(a\) und \(b\) aus den beiden Bedingungen.
- Überprüfen Sie, ob der Graph noch eine zweite waagerechte Tangente besitzt, und begründen Sie Ihr Ergebnis.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f'(x)=3x^{2}+2ax+b\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Aus \(f'(0)=-3\) folgt \(b=-3\). Eingesetzt in \(f'(1)=0\): \(3+2a-3=0 \Rightarrow 2a=0 \Rightarrow a=0\).
Ergebnis: \(a=0\) und \(b=-3\), die Trasse wird also durch \(f(x)=x^{3}-3x\) mit \(f'(x)=3x^{2}-3\) beschrieben.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(f'(x)=0 \Leftrightarrow 3x^{2}-3=0 \Leftrightarrow x^{2}=1 \Leftrightarrow x=1\) oder \(x=-1\). Es gibt also eine zweite waagerechte Tangente, nämlich bei \(x=-1\).
Begründung: \(f'\) ist eine nach oben geöffnete Parabel ohne lineares Glied, ihr Scheitel liegt auf der \(y\)-Achse. Ihre Nullstellen liegen daher stets symmetrisch zum Ursprung — verlangt man eine bei \(x=1\), so ergibt sich die zweite bei \(x=-1\) zwangsläufig. Für die Planung heißt das: Die Trasse hat auch links vom Ursprung eine waagerechte Stelle, was bei der Streckenführung berücksichtigt werden muss.
