Ein Anhänger aus zwei Blättern
AFB I–IIEine Schmuckdesignerin entwirft einen Anhänger aus Silberblech. Seine Form wird in einem Koordinatensystem (1 LE = 1 cm) durch die beiden Flächenstücke beschrieben, die die Graphen der Funktionen
\(f(x)=x^3-6x^2+9x\) und \(g(x)=x\)
für \(0\le x\le4\) einschließen (Material). Das Silberblech ist \(1\,\text{mm}\) dick, Silber hat die Dichte \(10{,}5\,\tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}\).
- hilfsmittelfrei Weisen Sie nach, dass sich die Graphen von \(f\) und \(g\) genau an den Stellen \(x=0\), \(x=2\) und \(x=4\) schneiden. 3 BE
- hilfsmittelfrei Berechnen Sie den Flächeninhalt des linken Blattes (\(0\le x\le2\)). 4 BE
- hilfsmittelfrei Ein Mitschüler rechnet \(\int_0^4\big(f(x)-g(x)\big)\,\mathrm{d}x=0\) und folgert, der Anhänger habe gar keine Fläche. Erläutern Sie seinen Denkfehler und geben Sie den Flächeninhalt des ganzen Anhängers an. 3 BE
- Bestimmen Sie die Masse des Anhängers. Die Öse bleibt unberücksichtigt. 3 BE
Insgesamt 13 BE
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f(x)=g(x)\iff x^3-6x^2+8x=0\iff x\,(x^2-6x+8)=0\).
\(x=0\) oder \(x^2-6x+8=0\); pq-Formel: \(x=3\pm\sqrt{9-8}\), also \(x=2\) oder \(x=4\). Eine Gleichung dritten Grades hat höchstens drei Lösungen — es gibt also genau diese drei Schnittstellen. Probe: \(f(2)=2=g(2)\), \(f(4)=4=g(4)\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Auf \([0;2]\) liegt \(f\) oben, z. B. \(f(1)=4>1=g(1)\). Mit \(d(x)=x^3-6x^2+8x\) und \(D(x)=\tfrac14x^4-2x^3+4x^2\):
\(A_1=\displaystyle\int_0^2 d(x)\,\mathrm{d}x=D(2)-D(0)=4-16+16=4\).
Das linke Blatt hat einen Flächeninhalt von \(4\,\text{cm}^2\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Auf \([2;4]\) liegt \(g\) oben, dort ist \(d(x)<0\): \(\int_2^4 d(x)\,\mathrm{d}x=D(4)-D(2)=0-4=-4\). Das Integral über \([0;4]\) addiert \(4\) und \(-4\) — die Teilflächen heben sich als orientierte Flächen auf, obwohl beide Blätter vorhanden sind.
Richtig ist, an der Schnittstelle \(x=2\) zu trennen und Beträge zu addieren: \(A=|4|+|-4|=8\,\text{cm}^2\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(V=A\cdot h=8\,\text{cm}^2\cdot0{,}1\,\text{cm}=0{,}8\,\text{cm}^3\).
\(m=\varrho\cdot V=10{,}5\,\tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}\cdot0{,}8\,\text{cm}^3=8{,}4\,\text{g}\).
Der Anhänger wiegt etwa \(8{,}4\) g. Häufiger Fehler: Dicke \(1\) statt \(0{,}1\) cm — dann käme das Zehnfache heraus.
Ein Lärmschutzwall am Radweg
AFB II–IIINeben einem Radweg soll auf einer Länge von \(250\,\text{m}\) ein Lärmschutzwall aufgeschüttet werden. Das Material zeigt einen Querschnitt senkrecht zum Radweg; \(x=0\) ist der Rand des Radwegs, alle Angaben in Metern.
Das Gelände steigt gleichmäßig an und wird beschrieben durch \(g(x)=0{,}1x\). Die Oberkante des geplanten Walls wird modelliert durch
\(f(x)=-0{,}1x^2+1{,}3x-0{,}3\).
Der Wall liegt zwischen den beiden Stellen, an denen seine Oberkante auf das Gelände trifft. Für die Aufschüttung stehen aus einer benachbarten Baugrube \(6000\,\text{m}^3\) Erde zur Verfügung.
- GTR/CAS Ermitteln Sie die Stellen, an denen der Wall auf das Gelände trifft, sowie die größte Höhe des Walls senkrecht über dem Gelände. 5 BE
- GTR/CAS Untersuchen Sie, ob die Erde aus der Baugrube für den Wall ausreicht. 4 BE
- Ein Planer berechnet stattdessen \(\int_{0{,}26}^{11{,}74} f(x)\,\mathrm{d}x\approx32{,}2\). Interpretieren Sie diesen Wert im Sachzusammenhang und geben Sie an, welche Folge seine Rechnung für die Planung hätte. 4 BE
- Anwohner fordern einen um \(1\,\text{m}\) höheren Wall, also \(f(x)+1\) als neue Oberkante. Der Bauleiter meint: „Das kostet nur etwa \(1\,\text{m}\cdot11{,}5\,\text{m}\cdot250\,\text{m}\approx2900\,\text{m}^3\) Erde zusätzlich.“ Nehmen Sie Stellung zu dieser Aussage. 5 BE
Insgesamt 18 BE
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
solve(f(x)=g(x),x).Ermitteln lässt den Weg offen — rechnerisch oder mit dem Rechner, das Ergebnis muss aber begründet dastehen.Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f(x)=g(x)\iff-0{,}1x^2+1{,}2x-0{,}3=0\iff x^2-12x+3=0\), also \(x=6\pm\sqrt{33}\): \(x_1\approx0{,}26\) und \(x_2\approx11{,}74\). Der Wall beginnt \(0{,}26\,\text{m}\) neben dem Radweg und ist am Boden etwa \(11{,}5\,\text{m}\) breit.
Höhe über dem Gelände: \(d(x)=-0{,}1x^2+1{,}2x-0{,}3\), \(d'(x)=-0{,}2x+1{,}2=0\Rightarrow x=6\), \(d(6)=3{,}3\). Da \(d\) eine nach unten geöffnete Parabel ist, ist das das Maximum: Der Wall ist an der Stelle \(x=6\) höchstens \(3{,}3\,\text{m}\) hoch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A=\displaystyle\int_{x_1}^{x_2}\big(f(x)-g(x)\big)\,\mathrm{d}x\approx25{,}28\,\text{m}^2\) (GTR; exakt \(\tfrac{22\sqrt{33}}{5}\)).
\(V=A\cdot250\,\text{m}\approx6319\,\text{m}^3\).
Die \(6000\,\text{m}^3\) aus der Baugrube reichen nicht; es fehlen etwa \(320\,\text{m}^3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\int_{0{,}26}^{11{,}74}f(x)\,\mathrm{d}x\approx32{,}2\) ist die Fläche zwischen der Oberkante des Walls und der Höhe \(y=0\), also dem Niveau des Radwegs — in \(\text{m}^2\).
Darin steckt zusätzlich der Geländekeil unter dem Wall, \(\int_{0{,}26}^{11{,}74}g(x)\,\mathrm{d}x\approx6{,}9\,\text{m}^2\), der gar nicht aufgeschüttet werden muss. Der Planer würde den Bedarf um etwa \(6{,}9\cdot250\approx1720\,\text{m}^3\) (rund \(27\,\%\)) überschätzen und zu viel Erde bestellen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Neue Oberkante \(f(x)+1\): \(-0{,}1x^2+1{,}2x+0{,}7=0\iff x^2-12x-7=0\), also \(x=6\pm\sqrt{43}\): \(x\approx-0{,}56\) und \(x\approx12{,}56\). Neue Querschnittsfläche \(\approx37{,}60\,\text{m}^2\), Mehrbedarf \(\approx12{,}32\,\text{m}^2\cdot250\,\text{m}\approx3080\,\text{m}^3\).
Die Schätzung des Bauleiters (\(\approx2870\,\text{m}^3\) mit der Breite \(11{,}49\,\text{m}\)) ist in der Größenordnung richtig, aber etwa \(7\,\%\) zu niedrig: Sie rechnet nur einen „Streifen“ von \(1\,\text{m}\) Höhe über der alten Basis. Weil die Parabel nach oben verschoben wird, trifft sie das Gelände weiter außen — der Wall wird auch breiter.
Außerdem liegt die neue linke Stelle bei \(x\approx-0{,}56\), also auf dem Radweg: Ohne Änderung der Form ist der höhere Wall so nicht baubar. Vollständig ist eine Stellungnahme, die Rechnung, Begründung der Abweichung und diese Folge für die Planung verbindet.
