Mathematik

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Aufgabe 1: 💉 Wirkstoffmenge im Blut

Zu Beginn befindet keine Wirkstoffmenge im Blut. Ein Medikament wird kontinuierlich über eine Infusion zugeführt. Die momentane Zufuhrgeschwindigkeit ist gegeben durch:

f ( t ) = 5 e 0 , 3 t f(t) = 5 \cdot e^{-0,3 \cdot t} (t in Stunden, f ( t ) f(t) in mg/h)

a) Nimmt die Wirkstoffmenge im Körper zu oder ab? Begründen Sie.

Die Funktion f ( t ) f(t) beschreibt die momentane Zufuhrgeschwindigkeit des Medikaments. Es gilt f ( t ) > 0 f(t) > 0 für alle t 0 t \geq 0 , da die Exponentialfunktion immer positiv ist. Das bedeutet, dass die Wirkstoffmenge im Körper zunimmt.

b) Wie viel Milligramm des Wirkstoffs befinden sich nach 4 Stunden im Blut? Runde auf zwei Dezimalstellen.

Antwort: Es befinden sich {z{11,65}} mg Wirkstoff im Blut.

Die Funktion f ( t ) f(t) beschreibt die momentane Zufuhrgeschwindigkeit des Medikaments. Um die gesamte Wirkstoffmenge im Blut nach 4 Stunden zu berechnen, müssen wir das Integral der Funktion f ( t ) f(t) von 0 bis 4 berechnen:

F ( t ) = 0 t f ( t ) d t F ( t ) = 0 4 5 e 0 , 3 t d t F ( t ) = [ 5 0 , 3 e 0 , 3 t ] 0 4 F ( t ) = 5 0 , 3 e 0 , 3 4 + 5 0 , 3 e 0 , 3 0 F ( t ) = 5 0 , 3 e 1 , 2 + 5 0 , 3 F ( t ) 5 0 , 3 0 , 3012 + 5 0 , 3 F ( t ) 5 0 , 3012 0 , 3 + 5 0 , 3 F ( t ) 5 , 02 + 16 , 67 F ( t ) 11 , 65  mg \begin{align*} F(t) &= \int_0^t f(t) \, dt \\ F(t) &= \int_0^4 5 \cdot e^{-0,3 \cdot t} \, dt \\ F(t) &= \left[-\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t}\right]_0^4 \\ F(t) &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot 4} + \frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot 0} \\ F(t) &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-1,2} + \frac{5}{0,3} \\ F(t) &\approx -\frac{5}{0,3} \cdot 0,3012 + \frac{5}{0,3} \\ F(t) &\approx -\frac{5 \cdot 0,3012}{0,3} + \frac{5}{0,3} \\ F(t) &\approx -5,02 + 16,67 \\ F(t) &\approx 11,65 \text{ mg} \end{align*}

c) Nach welcher Zeit sind 10 mg Wirkstoff im Blut enthalten? Runde auf zwei Dezimalstellen.

Antwort: Nach {z{3,05}} Stunden sind 10 mg Wirkstoff im Blut enthalten.

Um die Zeit zu berechnen, nach der 10 mg Wirkstoff im Blut sind, setzen wir F ( t ) = 10 F(t) = 10 und lösen die Gleichung:

F ( t ) = 10 10 = 0 t f ( t ) d t 10 = 0 t 5 e 0 , 3 t d t 10 = [ 5 0 , 3 e 0 , 3 t ] 0 t 10 = 5 0 , 3 e 0 , 3 t + 5 0 , 3 10 = 5 0 , 3 e 0 , 3 t + 5 0 , 3 10 5 0 , 3 = 5 0 , 3 e 0 , 3 t 10 16 , 67 = 5 0 , 3 e 0 , 3 t 6 , 67 = 5 0 , 3 e 0 , 3 t 0 , 4002 = e 0 , 3 t ln ( 0 , 4002 ) = 0 , 3 t ln ( 0 , 4002 ) 0 , 3 = t t 0 , 9163 0 , 3 t 3 , 05  Stunden \begin{align*} F(t) &= 10 \\ 10 &= \int_0^t f(t) \, dt \\ 10 &= \int_0^t 5 \cdot e^{-0,3 \cdot t} \, dt \\ 10 &= \left[-\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t}\right]_0^t \\ 10 &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t} + \frac{5}{0,3} \\ 10 &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t} + \frac{5}{0,3} \\ 10 - \frac{5}{0,3} &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t} \\ 10 - 16,67 &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t} \\ -6,67 &= -\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t} \\ 0,4002 &= e^{-0,3 \cdot t} \\ \ln(0,4002) &= -0,3 \cdot t \\ \frac{\ln(0,4002)}{-0,3} &= t \\ t &\approx \frac{-0,9163}{-0,3} \\ t &\approx 3,05 \text{ Stunden} \end{align*}

d) Welche maximale Wirkstoffmenge wird bei dieser Infusion erreicht? Runde auf zwei Dezimalstellen.

Antwort: Die maximale Wirkstoffmenge beträgt {z{16,67}} mg.

Die maximale Wirkstoffmenge wird erreicht, wenn die Zufuhrgeschwindigkeit f ( t ) f(t) gegen 0 geht. Das bedeutet, dass die Exponentialfunktion e 0 , 3 t e^{-0,3 \cdot t} gegen 0 geht. Daher ist die maximale Wirkstoffmenge:

lim t F ( t ) = lim t [ 5 0 , 3 e 0 , 3 t ] 0 t = lim t [ 5 0 , 3 0 ] + 5 0 , 3 = 0 + 5 0 , 3 = 5 0 , 3 16 , 67  mg \begin{align*} \lim_{t \to \infty} F(t) &= \lim_{t \to \infty} \left[-\frac{5}{0,3} \cdot e^{-0,3 \cdot t}\right]_0^t \\ &= \lim_{t \to \infty} \left[-\frac{5}{0,3} \cdot 0\right] + \frac{5}{0,3} \\ &= 0 + \frac{5}{0,3} \\ &= \frac{5}{0,3} \\ &\approx 16,67 \text{ mg} \end{align*}

Aufgabe 2: 🔍 Vergleichen von Exponentialfunktionen

Gegeben sind die Exponentialfunktionen:

f ( x ) = 2 e 0 , 5 x f(x) = 2 \cdot e^{0,5 \cdot x} g ( x ) = 3 e 0 , 3 x g(x) = 3 \cdot e^{0,3 \cdot x}

a) Berechne die Ableitungen f ( x ) f'(x) und g ( x ) g'(x) .

f ( x ) = 2 0 , 5 e 0 , 5 x = e 0 , 5 x g ( x ) = 3 0 , 3 e 0 , 3 x = 0 , 9 e 0 , 3 x \begin{align*} f'(x) &= 2 \cdot 0,5 \cdot e^{0,5 \cdot x} = e^{0,5 \cdot x} \\ g'(x) &= 3 \cdot 0,3 \cdot e^{0,3 \cdot x} = 0,9 \cdot e^{0,3 \cdot x} \end{align*}

b) Vergleiche die Graphen der beiden Ableitungen f ( x ) f'(x) und g ( x ) g'(x) . Berücksichtige dabei den Definitions- und Wertebereich, das Monotonieverhalten, das Verhalten im Unendlichen und die Achsenschnittpunkte.

Um die Graphen der beiden Ableitungen

f ( x ) = e 0 , 5 x und g ( x ) = 0 , 9 e 0 , 3 x f'(x) = e^{0{,}5x} \quad \text{und} \quad g'(x) = 0{,}9e^{0{,}3x}

zu vergleichen, analysieren wir folgende Aspekte:


1. Definitionsbereich

Beide Funktionen sind Exponentialfunktionen mit positiven Basen:

  • e 0 , 5 x e^{0{,}5x} und e 0 , 3 x e^{0{,}3x} sind für alle reellen Zahlen definiert.
  • Definitionsbereich beider Funktionen: R \mathbb{R}

2. Wertebereich

Da der Exponentialausdruck e x > 0 e^x > 0 für alle x R x \in \mathbb{R} , gilt:

  • f ( x ) = e 0 , 5 x > 0 f'(x) = e^{0{,}5x} > 0
  • g ( x ) = 0 , 9 e 0 , 3 x > 0 g'(x) = 0{,}9e^{0{,}3x} > 0

Wertebereich:

  • f ( x ) ( 0 , ) f'(x) \in (0, \infty)
  • g ( x ) ( 0 , ) g'(x) \in (0, \infty)

3. Monotonieverhalten

Exponentialfunktionen mit positivem Exponenten sind streng monoton steigend:

  • f ( x ) = e 0 , 5 x f'(x) = e^{0{,}5x} steigt schneller als g ( x ) = 0 , 9 e 0 , 3 x g'(x) = 0{,}9e^{0{,}3x} , da 0 , 5 > 0 , 3 0{,}5 > 0{,}3 .

4. Verhalten im Unendlichen

  • Für x x \to \infty :

    • f ( x ) f'(x) \to \infty deutlich schneller als g ( x ) g'(x)
  • Für x x \to -\infty :

    • Beide Funktionen gehen gegen 0, wobei f ( x ) 0 f'(x) \to 0 schneller als g ( x ) g'(x)

Das liegt am Exponenten der e-Funktion:

  • e 0 , 5 x e^{0{,}5x} geht schneller gegen 0 für x x \to -\infty als e 0 , 3 x e^{0{,}3x} , da 0 , 5 > 0 , 3 0{,}5 > 0{,}3 .

5. Achsenschnittpunkte

y-Achsen-Schnittpunkt (bei x = 0 x = 0 ):

  • f ( 0 ) = e 0 = 1 f'(0) = e^{0} = 1
  • g ( 0 ) = 0 , 9 e 0 = 0 , 9 g'(0) = 0{,}9e^{0} = 0{,}9

Also schneidet f f' die y-Achse oberhalb von g g' .


Fazit (Vergleich in Stichpunkten)

Aspekt f ( x ) = e 0 , 5 x f'(x) = e^{0{,}5x} g ( x ) = 0 , 9 e 0 , 3 x g'(x) = 0{,}9e^{0{,}3x}
Definitionsbereich R \mathbb{R} R \mathbb{R}
Wertebereich ( 0 , ) (0, \infty) ( 0 , ) (0, \infty)
Monotonie streng steigend streng steigend
Wachstum schneller wachsend langsamer wachsend
Verhalten bei x x \to -\infty 0 \to 0 schneller 0 \to 0 langsamer
Verhalten bei x x \to \infty \to \infty schneller \to \infty langsamer
y-Achsen-Schnittpunkt 1 0,9

c) Bestimme von f(x) und g(x) die Tangenten an der Stelle x = 0 x = 0 .

Um die Tangente an der Stelle x = 0 x = 0 zu bestimmen, berechnen wir den Funktionswert und die Ableitung an dieser Stelle.

f ( 0 ) = 2 0 , 5 e 0 = 1 \begin{align*} f'(0) &= 2 \cdot 0,5 \cdot e^{0} = 1 \end{align*}

Jetzt setzen wir diesen Wert in die Tangentengleichung ein:

T ( x ) = f ( 0 ) + f ( 0 ) ( x 0 ) T ( x ) = 2 + 1 x T ( x ) = x + 2 \begin{align*} T(x) &= f(0) + f'(0) \cdot (x - 0) \\ T(x) &= 2 + 1 \cdot x \\ T(x) &= x + 2 \end{align*}

Das Gleiche machen wir für g ( x ) g(x) :

g ( 0 ) = 3 0 , 3 e 0 = 0 , 9 \begin{align*} g'(0) &= 3 \cdot 0,3 \cdot e^{0} = 0,9 \end{align*}

Jetzt setzen wir diesen Wert in die Tangentengleichung ein:

T ( x ) = g ( 0 ) + g ( 0 ) ( x 0 ) T ( x ) = 3 + 0 , 9 x T ( x ) = 0 , 9 x + 3 \begin{align*} T(x) &= g(0) + g'(0) \cdot (x - 0) \\ T(x) &= 3 + 0,9 \cdot x \\ T(x) &= 0,9 \cdot x + 3 \end{align*}
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