Tangenten an eine verschobene e-Funktion
AFB I–IIGegeben ist die Funktion \(f(x)=e^{2x-2}\). Ihr Graph verläuft durch den Punkt \(P(1\,|\,1)\).
- Geben Sie \(f'(x)\) und \(f''(x)\) an.
- Stellen Sie die Gleichung der Tangente \(t\) an den Graphen von \(f\) im Punkt \(P\) auf.
- Zeigen Sie, dass die Tangente an der Stelle \(a\) die x-Achse stets bei \(x=a-\frac12\) schneidet.
- Bestimmen Sie exakt und gerundet die Stelle, an der der Graph von \(f\) die Steigung 1 hat.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f'(x)=2e^{2x-2}\), \(f''(x)=4e^{2x-2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f(1)=e^{0}=1\), \(f'(1)=2\). \(t:\ y=2(x-1)+1=2x-1\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(0=e^{2a-2}\bigl(2(x-a)+1\bigr)\). Da \(e^{2a-2}>0\), muss \(2(x-a)+1=0\) gelten, also \(x=a-\frac12\). Für \(a=1\): Nullstelle von \(t\) bei \(x=0{,}5\) ✓.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(2e^{2x-2}=1\Rightarrow e^{2x-2}=\frac12\Rightarrow2x-2=-\ln2\Rightarrow x=1-\frac{\ln2}{2}\approx0{,}65\).
Licht unter Wasser
AFB II–IIIIn einem klaren See wird die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wassertiefe gemessen. Das Modell lautet \(I(x)=100\cdot e^{-0{,}35x}\) (\(x\) in Metern, \(I\) in Prozent der Intensität an der Oberfläche).
- Berechnen Sie \(I'(2)\) und interpretieren Sie den Wert im Sachzusammenhang.
- Weisen Sie nach, dass \(I'(x)=-0{,}35\cdot I(x)\) gilt, und deuten Sie diese Beziehung.
- Wasserpflanzen brauchen mindestens 1 % des Oberflächenlichts. Ermitteln Sie die größte Tiefe, in der sie noch wachsen können.
- Eine Taucherin sagt: „Das Licht verliert pro Meter Tiefe 35 % seiner Stärke.“ Nehmen Sie Stellung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(I'(x)=-35\,e^{-0{,}35x}\), \(I'(2)=-35\,e^{-0{,}7}\approx-17{,}4\). In 2 m Tiefe nimmt die Intensität momentan um etwa 17,4 Prozentpunkte pro Meter ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(I'(x)=-0{,}35\cdot100\,e^{-0{,}35x}=-0{,}35\cdot I(x)\). Die momentane Abnahme ist proportional zur vorhandenen Intensität: Wo noch viel Licht ist, nimmt es schnell ab, in der Tiefe nur noch langsam.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(e^{-0{,}35x}=0{,}01\Rightarrow x=\frac{\ln100}{0{,}35}\approx13{,}16\) m. Pflanzen können bis in etwa 13 m Tiefe wachsen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Von einem Meter zum nächsten gilt \(\frac{I(x+1)}{I(x)}=e^{-0{,}35}\approx0{,}705\): Das Licht verliert pro Meter etwa \(29{,}5\,\%\), nicht \(35\,\%\). Die \(0{,}35\) ist die momentane relative Abnahmerate, nicht die prozentuale Abnahme über einen ganzen Meter — die Aussage ist also nur grob richtig und überschätzt den Verlust. Vollständig ist die Antwort mit Rechnung, Unterscheidung von \(k\) und Prozentsatz und begründetem Urteil.
