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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:
(t in Stunden, in mg/h)
a) Nimmt die Wirkstoffmenge im Körper zu oder ab? Begründen Sie.
Musterlösung
Die Funktion beschreibt die momentane Zufuhrgeschwindigkeit des Medikaments. Es gilt für alle , 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.
Musterlösung
Die Funktion beschreibt die momentane Zufuhrgeschwindigkeit des Medikaments. Um die gesamte Wirkstoffmenge im Blut nach 4 Stunden zu berechnen, müssen wir das Integral der Funktion von 0 bis 4 berechnen:
c) Nach welcher Zeit sind 10 mg Wirkstoff im Blut enthalten? Runde auf zwei Dezimalstellen.
Musterlösung
Um die Zeit zu berechnen, nach der 10 mg Wirkstoff im Blut sind, setzen wir und lösen die Gleichung:
d) Welche maximale Wirkstoffmenge wird bei dieser Infusion erreicht? Runde auf zwei Dezimalstellen.
Musterlösung
Die maximale Wirkstoffmenge wird erreicht, wenn die Zufuhrgeschwindigkeit gegen 0 geht. Das bedeutet, dass die Exponentialfunktion gegen 0 geht. Daher ist die maximale Wirkstoffmenge:
Aufgabe 2: 🔍 Vergleichen von Exponentialfunktionen
Gegeben sind die Exponentialfunktionen:
a) Berechne die Ableitungen und .
Musterlösung
b) Vergleiche die Graphen der beiden Ableitungen und . Berücksichtige dabei den Definitions- und Wertebereich, das Monotonieverhalten, das Verhalten im Unendlichen und die Achsenschnittpunkte.
Skizze
Musterlösung
Um die Graphen der beiden Ableitungen
zu vergleichen, analysieren wir folgende Aspekte:
1. Definitionsbereich
Beide Funktionen sind Exponentialfunktionen mit positiven Basen:
- und sind für alle reellen Zahlen definiert.
- Definitionsbereich beider Funktionen:
2. Wertebereich
Da der Exponentialausdruck für alle , gilt:
Wertebereich:
3. Monotonieverhalten
Exponentialfunktionen mit positivem Exponenten sind streng monoton steigend:
- steigt schneller als , da .
4. Verhalten im Unendlichen
-
Für :
- deutlich schneller als
-
Für :
- Beide Funktionen gehen gegen 0, wobei schneller als
Das liegt am Exponenten der e-Funktion:
- geht schneller gegen 0 für als , da .
5. Achsenschnittpunkte
y-Achsen-Schnittpunkt (bei ):
Also schneidet die y-Achse oberhalb von .
Fazit (Vergleich in Stichpunkten)
| Aspekt | ||
|---|---|---|
| Definitionsbereich | ||
| Wertebereich | ||
| Monotonie | streng steigend | streng steigend |
| Wachstum | schneller wachsend | langsamer wachsend |
| Verhalten bei | schneller | langsamer |
| Verhalten bei | schneller | langsamer |
| y-Achsen-Schnittpunkt | 1 | 0,9 |
c) Bestimme von f(x) und g(x) die Tangenten an der Stelle .
Musterlösung
Um die Tangente an der Stelle zu bestimmen, berechnen wir den Funktionswert und die Ableitung an dieser Stelle.
Jetzt setzen wir diesen Wert in die Tangentengleichung ein:
Das Gleiche machen wir für :
Jetzt setzen wir diesen Wert in die Tangentengleichung ein: