Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben wird zuerst abgeleitet und danach gedeutet. Die Rechnung selbst ist Routine — die Punkte stecken in der Einheit, im Vorzeichen und im Antwortsatz. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Der ICE bremst
AFB IEin Zug leitet bei voller Fahrt eine Bremsung ein. Der zurückgelegte Bremsweg \(s\) (in Metern) hängt von der Zeit \(t\) (in Sekunden) ab:
Material M1 zeigt den Verlauf.
Der Graph steigt durchgehend, wird dabei aber immer flacher — der Zug wird langsamer.
- Bestimme \(s′\) mit Summen-, Faktor- und Potenzregel.
- Berechne \(s′(10)\) und gib die Einheit an.
- Bestimme den Zeitpunkt, zu dem der Zug steht, und die Länge des gesamten Bremswegs.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(s′(t)=40-0{,}5\cdot 2t=40-t\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(s′(10)=40-10=30\), also \(30\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\). Nach zehn Sekunden fährt der Zug noch mit \(30\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\) (rund \(108\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}\)).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(40-t=0 \Rightarrow t=40\,\text{s}\). Einsetzen: \(s(40)=40\cdot 40-0{,}5\cdot 40^{2}=1600-800=800\). Antwortsatz: Der Zug kommt nach 40 Sekunden zum Stehen; der Bremsweg beträgt 800 m.
Grenzkosten einer Bäckerei
AFB IIEine Bäckerei produziert \(x\) Brote pro Tag. Die Gesamtkosten \(K\) in Euro werden modelliert durch
Die Ableitung \(K′\) heißt in der Wirtschaft Grenzkostenfunktion.
- Bestimme \(K′\) und erläutere, was die Grenzkosten im Sachzusammenhang bedeuten.
- Berechne \(K′(20)\) und deute das Ergebnis.
- Bestimme \(K″\) und gib an, in welchem Bereich die Grenzkosten fallen.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K′(x)=0{,}03x^{2}-2{,}4x+60\). Die Grenzkosten geben näherungsweise an, wie viel Euro das nächste zusätzlich gebackene Brot kostet.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K′(20)=0{,}03\cdot 400-2{,}4\cdot 20+60=12-48+60=24\), also \(24\,\tfrac{\text{\u20ac}}{\text{Brot}}\). Wird die Tagesproduktion von 20 auf 21 Brote erhöht, steigen die Kosten um rund 24 \u20ac.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(K″(x)=0{,}06x-2{,}4\). Aus \(0{,}06x-2{,}4<0\) folgt \(x<40\). Antwortsatz: Bis zu einer Tagesproduktion von 40 Broten sinken die Grenzkosten — jedes weitere Brot wird billiger als das vorige. Ab 40 Broten steigen sie wieder.
Die Sprungschanze
AFB IIDer Anlauf einer Schanze wird durch
beschrieben; \(x\) ist die waagerechte Entfernung vom Start in Metern, \(h\) die Höhe über dem Aufsprungniveau in Metern (Material M2).
Die gestrichelte Gerade berührt das Profil in \(P\) und hat dort dieselbe Steigung wie der Hang.
- Bestimme \(h′\).
- Berechne die Steigung des Hangs an der Stelle \(x=20\) und daraus den Neigungswinkel.
- Bestimme die Gleichung der eingezeichneten Tangente.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(h′(x)=0{,}0006x^{2}-0{,}036x\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(h′(20)=0{,}0006\cdot 400-0{,}036\cdot 20=0{,}24-0{,}72=-0{,}48\). Aus \(\tan\alpha=0{,}48\) folgt \(\alpha\approx 25{,}6^\circ\). Antwortsatz: Der Hang fällt an dieser Stelle unter rund \(25{,}6^\circ\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(h(20)=0{,}0002\cdot 8000-0{,}018\cdot 400+25=1{,}6-7{,}2+25=19{,}4\), also \(P(20\mid 19{,}4)\). Ansatz \(y=-0{,}48x+b\); einsetzen liefert \(19{,}4=-9{,}6+b\), also \(b=29\). Tangente: \(y=-0{,}48x+29\).
Der Abschlag beim Golf
AFB IIIDie Flugbahn eines Golfballs wird durch die Funktionenschar
modelliert; \(x\) ist die waagerechte Entfernung in Metern, \(f_a(x)\) die Höhe in Metern. Der Parameter \(a\) hängt vom Abschlagwinkel ab.
- Bestimme \(f_a′\) in Abhängigkeit von \(a\).
- Bestimme \(a\) so, dass der Ball unter einer Anfangssteigung von \(1\) abfliegt.
- Weise für dieses \(a\) nach, dass die Wurfweite genau 20 m beträgt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f_a′(x)=-0{,}1x+a\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f_a′(0)=a\stackrel{!}{=}1\), also \(a=1\) und damit \(f(x)=-0{,}05x^{2}+x\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(-0{,}05x^{2}+x=x\,(-0{,}05x+1)=0\) liefert \(x_1=0\) (Abschlag) und \(-0{,}05x+1=0\), also \(x_2=20\). Antwortsatz: Der Ball landet 20 m vom Abschlag entfernt; die Wurfweite beträgt genau 20 m.
Zwei Faktoren, eine Falle
AFB IIIDer Querschnitt einer Regenrinne wird durch \(f(x)=(2x-1)\,(x^{2}+3)\) beschrieben. Ein Schüler leitet ab, indem er beide Faktoren einzeln ableitet, und schreibt:
Er begründet das mit der Faktorregel.
- Bestimme \(f′\) korrekt, indem du den Term zuerst ausmultiplizierst.
- Widerlege die Rechnung des Schülers durch einen Vergleich an einer geeigneten Stelle.
- Erkläre, warum die Faktorregel hier nicht anwendbar ist.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f(x)=2x^{3}+6x-x^{2}-3=2x^{3}-x^{2}+6x-3\) und damit \(f′(x)=6x^{2}-2x+6\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
An der Stelle \(x=1\): korrekt \(f′(1)=6-2+6=10\); nach der Rechnung des Schülers dagegen \(4\cdot 1=4\). Beide Werte stimmen nicht überein, also ist die Rechnung falsch.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Faktorregel lautet \(\bigl(c\cdot g(x)\bigr)′=c\cdot g′(x)\) und setzt voraus, dass \(c\) eine Konstante ist. Hier hängen beide Faktoren von \(x\) ab; eine Regel für das Ableiten solcher Produkte (die Produktregel) steht in Klasse 11 noch nicht zur Verfügung. Antwortsatz: Solche Terme werden zuerst ausmultipliziert und dann summandenweise abgeleitet.
