Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben steht dieselbe Frage: Wechselt \(f′\) an der Kandidatenstelle das Vorzeichen — und wenn ja, in welche Richtung? Der Wert von \(f′\) an der Stelle selbst hilft nicht weiter; er ist dort immer null. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Die Algenblüte
AFB IIn einem Teich wird die Biomasse \(B\) der Algen (in Kilogramm) über sechs Wochen beobachtet:
Dabei ist \(t\) die Zeit in Wochen (Material M1).
Zwischen den beiden markierten Stellen fällt der Graph — davor und danach steigt er.
- Bestimme \(B′\) und alle Kandidaten für Extremstellen.
- Entscheide mit dem VZW-Kriterium, welche Art von Extrempunkt jeweils vorliegt.
- Gib beide Extrempunkte an und deute sie im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(B′(t)=3t^{2}-18t+24=3\,(t^{2}-6t+8)=3\,(t-2)(t-4)\). Kandidaten: \(t_1=2\) und \(t_2=4\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Teststellen: \(B′(1)=3\cdot(-1)\cdot(-3)=9>0\), \(B′(3)=3\cdot 1\cdot(-1)=-3<0\), \(B′(5)=3\cdot 3\cdot 1=9>0\).
Bei \(t=2\) wechselt \(B′\) von \(+\) nach \(-\): Hochpunkt. Bei \(t=4\) wechselt \(B′\) von \(-\) nach \(+\): Tiefpunkt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(B(2)=8-36+48=20\) und \(B(4)=64-144+96=16\), also \(H(2\mid 20)\) und \(T(4\mid 16)\). Antwortsatz: Nach zwei Wochen erreicht die Algenblüte mit 20 kg ein erstes Zwischenhoch, geht bis zur vierten Woche auf 16 kg zurück und wächst danach ungebremst weiter.
Der Fischbestand
AFB IIDer Bestand \(N\) einer Fischart in einem See (in Tausend Stück) wird über sechs Jahre modelliert durch
mit der Zeit \(t\) in Jahren.
- Bestimme \(N′\) und faktorisiere den Term vollständig.
- Untersuche alle Kandidaten mit einer Vorzeichentabelle.
- Deute das Ergebnis im Sachzusammenhang und begründe, warum \(t=0\) gesondert behandelt werden muss.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(N′(t)=t^{3}-6t^{2}+8t=t\,(t^{2}-6t+8)=t\,(t-2)(t-4)\). Nullstellen: \(t=0\), \(t=2\) und \(t=4\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Auf \(]0;2[\): \(+\cdot-\cdot- = +\). Auf \(]2;4[\): \(+\cdot+\cdot- = -\). Auf \(]4;6[\): \(+\cdot+\cdot+ = +\).
Bei \(t=2\) Wechsel von \(+\) nach \(-\): Hochpunkt \(H(2\mid 14)\). Bei \(t=4\) Wechsel von \(-\) nach \(+\): Tiefpunkt \(T(4\mid 10)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Antwortsatz: Der Bestand wächst in den ersten beiden Jahren auf 14 000 Fische, geht bis zum vierten Jahr auf 10 000 zurück und nimmt danach wieder zu. Die Stelle \(t=0\) ist zwar Nullstelle von \(N′\), aber der linke Rand von \(D=[0;6]\). Ein Vorzeichenwechsel setzt einen Bereich auf beiden Seiten voraus; deshalb kann dort kein Extrempunkt im Sinne des VZW-Kriteriums liegen. Der Randwert \(N(0)=10\) muss stattdessen beim Vergleich der globalen Extrema berücksichtigt werden.
Das Straßenprofil
AFB IIEine Passstraße steigt auf einem Abschnitt gleichmäßig an. Ihr Höhenprofil wird beschrieben durch
Dabei ist \(x\) die waagerechte Entfernung in Kilometern und \(g(x)\) die Höhe in Hektometern.
- Bestimme \(g′\) und den Kandidaten für eine Extremstelle.
- Untersuche den Vorzeichenwechsel von \(g′\) an dieser Stelle.
- Deute das Ergebnis im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(g′(x)=3x^{2}-12x+12=3\,(x^{2}-4x+4)=3\,(x-2)^{2}\). Einziger Kandidat: \(x=2\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Für alle \(x\neq 2\) gilt \((x-2)^{2}>0\), also \(g′(x)>0\). Teststellen: \(g′(1)=3>0\) und \(g′(3)=3>0\). Es findet kein Vorzeichenwechsel statt; bei \(x=2\) liegt kein Extrempunkt, sondern ein Sattelpunkt \(S(2\mid 3)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Antwortsatz: Die Straße steigt auf dem gesamten Abschnitt an. Nach zwei Kilometern verläuft sie auf einer Höhe von 300 m für einen Moment eben, danach geht es weiter bergauf — einen höchsten oder tiefsten Punkt gibt es im Inneren nicht.
Zu weit weg getestet
AFB IIIZur Funktion \(f(x)=x^{3}-6x^{2}+9x+2\) mit \(0\le x\le 5\) rechnet ein Schüler:
„Es ist \(f′(x)=3x^{2}-12x+9\), also sind \(x=1\) und \(x=3\) die Kandidaten. Für \(x=1\) teste ich links \(f′(0)=9>0\) und rechts \(f′(5)=24>0\). Kein Vorzeichenwechsel — bei \(x=1\) liegt also ein Sattelpunkt.“
- Bestimme die Kandidaten und kontrolliere die Rechnung des Schülers bis dahin.
- Widerlege seine Schlussfolgerung durch eine korrekte Untersuchung von \(x=1\).
- Formuliere eine Regel dafür, wie Teststellen zu wählen sind.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f′(x)=3x^{2}-12x+9=3\,(x^{2}-4x+3)=3\,(x-1)(x-3)\). Die Kandidaten \(x=1\) und \(x=3\) sind korrekt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Fehler steckt in der Wahl der Teststellen: \(x=5\) liegt jenseits des zweiten Kandidaten \(x=3\), sodass zwei Vorzeichenwechsel übersprungen werden. Korrekt testet man in den Bereichen \(]0;1[\) und \(]1;3[\): \(f′(0{,}5)=3\cdot(-0{,}5)\cdot(-2{,}5)=3{,}75>0\) und \(f′(2)=3\cdot 1\cdot(-1)=-3<0\). Der Wechsel von \(+\) nach \(-\) zeigt: Bei \(x=1\) liegt ein Hochpunkt \(H(1\mid 6)\), kein Sattelpunkt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Regel: Zuerst alle Kandidaten bestimmen und den Definitionsbereich an ihnen zerlegen. Anschließend aus jedem entstandenen Teilbereich genau eine Teststelle wählen — nie eine Teststelle, die einen weiteren Kandidaten überspringt. Nur so bildet die Vorzeichentabelle den Verlauf lückenlos ab.
Mehr Dünger, mehr Ertrag?
AFB IIIDer Ertrag \(E\) eines Feldes (in dt je Hektar) hängt von der ausgebrachten Düngermenge \(x\) (in kg je Hektar) ab:
Ein Vertreter wirbt: „Mehr Dünger bringt mehr Ertrag — düngen Sie so viel wie möglich.“ (Material M2)
Der Graph fällt zunächst, steigt dann bis zu einem Höchstwert und fällt danach wieder.
- Bestimme \(E′\) und faktorisiere den Term.
- Entscheide mit dem VZW-Kriterium über beide Kandidaten und gib die Extrempunkte an.
- Nimm zur Werbeaussage des Vertreters begründet Stellung.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(E′(x)=-0{,}03x^{2}+2{,}4x-36=-0{,}03\,(x^{2}-80x+1200)=-0{,}03\,(x-20)(x-60)\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Teststellen: \(E′(0)=-36<0\), \(E′(40)=-0{,}03\cdot 20\cdot(-20)=12>0\), \(E′(80)=-0{,}03\cdot 60\cdot 20=-36<0\).
Bei \(x=20\) Wechsel von \(-\) nach \(+\): Tiefpunkt \(T(20\mid 180)\). Bei \(x=60\) Wechsel von \(+\) nach \(-\): Hochpunkt \(H(60\mid 500)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage ist falsch. Zwar wächst der Ertrag zwischen 20 und 60 kg je ha, doch außerhalb dieses Bereichs fällt er: Bei \(x=80\) beträgt er nur noch \(E(80)=180\,\tfrac{\text{dt}}{\text{ha}}\) — genauso viel wie am Tiefpunkt und deutlich weniger als die \(500\,\tfrac{\text{dt}}{\text{ha}}\) bei \(60\,\tfrac{\text{kg}}{\text{ha}}\). Antwortsatz: Der Ertrag ist bei 60 kg je ha am größten; jede weitere Düngergabe senkt ihn wieder. Die Werbeaussage ist damit widerlegt.
