Aufgabe B5 · Abitur NRW Mathematik LK · Nachtermin · CAS · Weiterbildungsko 2021

Aufgabenstellung:

Wenn Muskeln stark beansprucht werden, bildet sich dort Laktat (Milchsäure). Mit einem Laktattest misst man den Laktatgehalt im Blut und beurteilt so die Fitness eines Sportlers. Beim Laktatstufentest erhöht der Sportler dafür in gleichmäßigen Zeitabständen seine Leistung, etwa auf einem Fahrrad-Ergometer.

Zur Modellierung des Laktatwertes eines bestimmten Sportlers bei einem Laktatstufentest (im Folgenden kurz als Laktatwert bezeichnet) wird für $0 \leq x \leq 45$ die Funktion $f$ mit

$$f(x) = \frac{1}{100}(-0{,}01x^2 + x - 19)\cdot \mathrm{e}^{0{,}11x} + 1{,}3, \quad x \in \mathbb{R},$$

verwendet. Dabei ist $x$ die Zeit in Minuten und $f(x)$ der Laktatwert in mmol/l (Millimol pro Liter). Der Laktatstufentest startet zum Zeitpunkt $x = 0$ und dauert 45 Minuten. Der Graph von $f$ ist in Abbildung 1 dargestellt.

a)

(1) Ermitteln Sie den Laktatwert zu Beginn und am Ende des Laktatstufentests.

(2) Ermitteln Sie, wie groß die momentane Zuwachsrate des Laktatwerts 30 Minuten nach dem Beginn ist.

(3) Bestimmen Sie rechnerisch, zu welchem Zeitpunkt der Laktatwert minimal ist, und geben Sie diesen Wert an.

(4) In einem Zeitraum von fünf Minuten beträgt die mittlere Zuwachsrate des Laktatwerts 0,1 mmol/l pro Minute. Bestimmen Sie diesen Zeitraum.

Aus den Laktatwerten lässt sich ermitteln, zu welchem Zeitpunkt beim Laktatstufentest ein Sportler die sogenannte individuelle anaerobe Schwelle (kurz IAS) erreicht. Dann liegt die Leistung vor, die der Sportler über einen längeren Zeitraum höchstens erbringen kann. Zur Ermittlung dieses Zeitpunkts gibt es vielfältige Verfahren.

Zwei Verfahren werden im Folgenden näher betrachtet. Dabei bezeichnen $S(0\mid f(0))$ und $E(45\mid f(45))$ die zum Start und Ende des Laktatstufentests gehörenden Punkte des Graphen von $f$.

Bei Verfahren A wird zunächst eine Gerade $g$ durch die Punkte $S$ und $E$ gezeichnet. Anschließend wird eine Tangente an den Graphen von $f$ gelegt, die parallel zu $g$ verläuft. Als Zeitpunkt, zu dem die IAS erreicht wird, ergibt sich bei diesem Verfahren der $x$-Wert des Berührpunkts zwischen dem Graphen von $f$ und dieser Tangente.

b)

Ermitteln Sie den Zeitpunkt, zu dem nach Verfahren A die IAS erreicht ist.

Bei Verfahren B wird jeweils in $S$ und in $E$ eine Tangente an den Graphen von $f$ gelegt. Als Zeitpunkt, zu dem die IAS erreicht wird, ergibt sich bei diesem Verfahren der $x$-Wert desjenigen Punktes auf dem Graphen von $f$, welcher den kürzesten Abstand zum Schnittpunkt der beiden Tangenten hat (vgl. Abbildung 2).

c)

Die Gleichung der Tangente $t_S$ im Punkt $S$ kann ohne Nachweis verwendet werden. Es gilt: $t_S: y = -0{,}0109x + 1{,}11$.

(1) Ermitteln Sie rechnerisch eine Funktionsgleichung der Tangente im Punkt $E$, und bestimmen Sie den Schnittpunkt $T$ der beiden Tangenten auf zwei Nachkommastellen gerundet.

[Gerundete Kontrolllösung mit einer Nachkommastelle: $T(36{,}6\mid 0{,}7)$.]

(2) Bestimmen Sie eine Zielfunktion, mit deren Hilfe der Abstand eines Punktes auf dem Graphen von $f$ zum Punkt $T$ berechnet werden kann, und ermitteln Sie den Zeitpunkt, zu dem nach Verfahren B die IAS erreicht ist.