Grippewelle
AFB I–IIWährend einer Grippewelle wird die Anzahl der Neuerkrankungen pro Tag in einer Großstadt durch \(f(t)=120\,t^{2}\cdot e^{-0{,}25t}\) modelliert (\(t\) in Tagen seit Beginn der Welle). Zur Kontrolle dürfen Sie verwenden: \(f''(t)=7{,}5\,(t^{2}-16t+32)\cdot e^{-0{,}25t}\).
- Berechnen Sie \(f(4)\) und \(f(20)\) und deuten Sie die Werte im Sachzusammenhang.
- Zeigen Sie, dass \(f'(t)=30\,t\,(8-t)\cdot e^{-0{,}25t}\) gilt, und bestimmen Sie den Hochpunkt des Graphen.
- Ermitteln Sie die beiden Wendestellen und interpretieren Sie sie im Sachzusammenhang.
- Ab dem zweiten Wendepunkt geht die Zahl der Neuerkrankungen zurück. Stellen Sie die Gleichung der Tangente im zweiten Wendepunkt auf und beurteilen Sie die Aussage: „Wenn der Rückgang so schnell weitergeht wie dort, ist die Welle nach etwa 23 Tagen vorbei.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f(4)=1920\,e^{-1}\approx706\), \(f(20)=48000\,e^{-5}\approx323\). Am 4. Tag erkranken etwa 706 Personen neu, am 20. Tag noch etwa 323 Personen pro Tag.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f'(t)=240t\,e^{-0{,}25t}+120t^{2}\cdot(-0{,}25)\,e^{-0{,}25t}=(240t-30t^{2})\,e^{-0{,}25t}=30t\,(8-t)\,e^{-0{,}25t}\).
\(f'(t)=0\Leftrightarrow t=0\) oder \(t=8\). Bei \(t=8\) wechselt \(30t(8-t)\) von \(+\) nach \(-\) ⇒ Hochpunkt \(H(8\,|\,7680\,e^{-2})\approx(8\,|\,1039)\). (\(t=0\) ist Randminimum.) GTR: SHIFT F5, F2 MAX ⇒ X = 8, Y ≈ 1039,4.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(t^{2}-16t+32=0\Leftrightarrow t=8\pm\sqrt{32}\), also \(t_1\approx2{,}34\), \(t_2\approx13{,}66\); der Polynomteil wechselt jeweils das Vorzeichen.
Bei \(t_1\approx2{,}3\) Tagen nimmt die Zahl der Neuerkrankungen am stärksten zu (\(f'(t_1)\approx221\) pro Tag2), bei \(t_2\approx13{,}7\) Tagen nimmt sie am stärksten ab (\(f'(t_2)\approx-76\) pro Tag2).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(f(t_2)\approx736{,}4\), \(f'(t_2)\approx-76{,}26\). Tangente: \(y\approx-76{,}26\,(t-13{,}66)+736{,}4\approx-76{,}26\,t+1778\). Nullstelle bei \(t\approx23{,}3\).
Beurteilung: Die Zahl 23 ist rechnerisch richtig, die Aussage aber zu optimistisch. Die Wendetangente beschreibt die stärkste Abnahme; danach wird der Rückgang langsamer. Im Modell ist \(f(t)>0\) für alle \(t>0\), \(f(23{,}3)\approx160\) — die Welle klingt nur allmählich aus.
Koffein am Nachmittag
AFB II–IIINach dem Trinken eines großen Kaffees wird die Koffeinmenge im Blut durch \(c(t)=160\cdot\bigl(e^{-0{,}15t}-e^{-1{,}5t}\bigr)\) beschrieben (\(t\) in Stunden, \(c\) in mg). Der erste Summand beschreibt den Abbau, der zweite die Aufnahme aus dem Magen.
- Geben Sie \(c(0)\) an und beschreiben Sie den Verlauf des Graphen im Sachzusammenhang.
- Weisen Sie nach, dass die Koffeinmenge zum Zeitpunkt \(t_{\max}=\frac{\ln10}{1{,}35}\) maximal ist, und berechnen Sie die maximale Menge.
- Beweisen Sie, dass die Wendestelle genau bei \(2\,t_{\max}\) liegt, und erläutern Sie ihre Bedeutung.
- Lena trinkt den Kaffee um 16 Uhr und will um 23 Uhr schlafen; ab etwa 20 mg stört Koffein den Schlaf kaum noch. Nehmen Sie Stellung, ob der Kaffee um 16 Uhr eine gute Idee ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(c(0)=160\cdot(1-1)=0\): Zu Beginn ist kein Koffein im Blut.
Die Menge steigt zunächst schnell an (Aufnahme überwiegt), erreicht nach knapp 2 Stunden ein Maximum von gut 110 mg und nimmt danach langsam ab; für große \(t\) nähert sie sich \(0\), weil nur noch der Abbau wirkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(c'(t)=160\bigl(-0{,}15\,e^{-0{,}15t}+1{,}5\,e^{-1{,}5t}\bigr)=0\Leftrightarrow1{,}5\,e^{-1{,}5t}=0{,}15\,e^{-0{,}15t}\Leftrightarrow e^{1{,}35t}=10\Leftrightarrow t_{\max}=\frac{\ln10}{1{,}35}\approx1{,}71\).
\(c'\) wechselt dort von \(+\) nach \(-\) (z. B. \(c'(0)=216>0\), \(c'(3)<0\)) ⇒ Maximum. \(c(t_{\max})\approx111{,}5\) mg.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(c''(t)=160\bigl(0{,}0225\,e^{-0{,}15t}-2{,}25\,e^{-1{,}5t}\bigr)=0\Leftrightarrow e^{1{,}35t}=100\Leftrightarrow t_W=\frac{\ln100}{1{,}35}=\frac{2\ln10}{1{,}35}=2\,t_{\max}\approx3{,}41\). Vorzeichenwechsel von \(-\) nach \(+\), \(c(t_W)\approx95{,}0\) mg.
Bedeutung: Etwa 3,4 Stunden nach dem Trinken nimmt die Koffeinmenge am schnellsten ab (\(c'(t_W)\approx-12{,}9\) mg pro Stunde); danach verlangsamt sich der Abbau.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(c(7)\approx56\) mg — um 23 Uhr ist noch fast dreimal so viel Koffein im Blut wie die Grenze von 20 mg. \(c(t)=20\) liefert \(t\approx13{,}9\) h, also erst gegen 6 Uhr morgens.
Stellungnahme: Im Modell ist der Kaffee um 16 Uhr ungünstig; spätestens gegen 9 Uhr morgens wäre er unproblematisch. Einschränkung: Abbaurate und Empfindlichkeit schwanken stark von Person zu Person — das Modell liefert nur eine Orientierung.
