Ein mathematisches Modell beschreibt einen ausgewählten Teil der Wirklichkeit mit mathematischen Mitteln. Es ist keine vollständige Kopie der Realität: Ein Modell vereinfacht bewusst und gilt nur unter bestimmten Annahmen.
Kernidee: Ein gutes Modell verbindet eine reale Situation mit einer Funktion, liefert verständliche Ergebnisse und wird anschließend an der Wirklichkeit geprüft.
1. Der Modellkreislauf
Beim Modellieren arbeitet man nicht nur in eine Richtung. Nach der Rechnung muss das Ergebnis wieder zur Ausgangssituation passen.
Situation verstehen: Welche Größen kommen vor? Was soll bestimmt werden?
Vereinfachen und Annahmen treffen: Welche Einflüsse werden berücksichtigt oder weggelassen?
Mathematisieren: festlegen und eine Funktion aufstellen oder auswählen.
So gehst du vor
Schrittlisten
Öffne die passende Liste und arbeite die Schritte der Reihe nach ab.
FA 1.7 - Modellbegriff, Größen und Annahmen sichern
Mathematische Modelle als vereinfachte Beschreibungen verstehen und ihre Bestandteile benennen.
1
Modellbegriff erklären
Ein Modell beschreibt ausgewählte Aspekte der Wirklichkeit mit mathematischen Mitteln und vereinfacht bewusst.
2
Größen festlegen
Eingabegröße und Zielgröße mit Symbol, Bedeutung und Einheit benennen.
3
Parameter deuten
Feste Zahlen in der Funktionsgleichung als Anfangswert, Rate, oder andere Modellgröße erklären.
4
Annahmen nennen
Ausdrücklich formulieren, welche Bedingungen als konstant gelten und welche Einflüsse weggelassen werden.
5
Gültigkeitsbereich angeben
Mathematischen Definitionsbereich vom sachlich zulässigen Bereich unterscheiden.
FA 1.7 - Modelle aus Text, Tabelle und Graph lesen
Digitales Werkzeug
GeoGebra
Wichtige Befehle und ihre Verwendung zu diesem Thema.
GeoGebra-Unterstützung zu FA 1.7
GeoGebra dient zur Visualisierung und Kontrolle. Die Wahl des Modells, die Bedeutung der Größen und die Modellkritik müssen trotzdem begründet werden.
Taximodell darstellen
K(x)=4+2x
A=(0,K(0))
B=(10,K(10))
Deute den Punkt A als Grundgebühr und die der Geraden als Preis je Kilometer.
untersuchen
Erzeuge Schieberegler a und b und gib ein:
f(x)=a+b*x
Beobachte:
verändert den Anfangswert.
Nächster Schritt
Festige das Thema mit passenden Aufgaben.
Starte eine Aufgabensammlung, speichere deinen Fortschritt und hole dir bei Bedarf schrittweise Unterstützung.
Mit dem Modell arbeiten: Werte berechnen, lösen oder einen Graphen auswerten.
Interpretieren und prüfen: Ergebnis mit Einheit deuten und mit der Realität vergleichen.
Verbessern: Falls das Modell unpassend ist, Annahmen oder Funktion ändern.
Wichtig: Eine richtige Rechnung kann trotzdem zu einer unbrauchbaren Aussage führen, wenn das Modell oder sein Gültigkeitsbereich nicht zur Situation passt.
2. Bestandteile eines Funktionsmodells
Ein Funktionsmodell besteht mindestens aus einer Eingabegröße, einer Zielgröße und einer Zuordnung.
Bestandteil
Frage
Beispiel Taxi
Eingabegröße
Was wird verändert oder vorgegeben?
Strecke x in km
Zielgröße
Was hängt davon ab?
Kosten K(x) in Euro
Parameter
Welche festen Zahlen bestimmen das Modell?
Grundgebühr 4, Preis 2 je km
Definitionsbereich
Welche Eingaben sind zulässig?
x≥0
Wertebereich
Welche Ausgaben sind im Modell möglich?
K(x)≥4
Einheit
In welcher Größe wird gemessen?
km und Euro
Die Bedeutung einer Formel ist erst klar, wenn Variablen, Parameter und Einheiten erklärt sind.
3. Aus einem Text ein Modell aufstellen
Ein Taxi verlangt eine Grundgebühr von 4 Euro und zusätzlich 2 Euro pro gefahrenem Kilometer.
Schritt 1: Größen festlegen
x: gefahrene Strecke in km
K(x): Kosten für x km in Euro
Schritt 2: Feste und veränderliche Anteile erkennen
Die Grundgebühr 4 fällt auch bei x=0 an.
Pro Kilometer kommen 2 Euro dazu.
Schritt 3: Funktion aufstellen
K(x)=4+2xfu¨r x≥0
Parameter deuten
K(0)=4: Grundgebühr in Euro
Steigung 2: Kostenanstieg um 2 Euro je zusätzlichem Kilometer
Modellannahme: Das Modell setzt voraus, dass der Preis je Kilometer konstant bleibt und keine Wartezeit, Zuschläge oder Rabatte auftreten.
4. Mit einem Modell rechnen und das Ergebnis deuten
Modellwert berechnen
Für eine Fahrt von 7,5 km gilt
K(7,5)K(7,5)=4+2⋅7,5=19
Deutung: Nach dem Modell kostet eine Fahrt von 7,5 km insgesamt 19 Euro.
Zu einem Modellwert die Eingabe bestimmen
Wie weit kann man für 24 Euro fahren?
4+2x2xx=24=20=10/−4/:2
Deutung: Unter den Modellannahmen entsprechen 24 Euro einer Strecke von 10 km.
Schreibweise: Gleichheitszeichen und Umformungsstriche bleiben in festen Spalten. Jede Zeile zeigt genau einen nachvollziehbaren Schritt; Pfeile werden nicht verwendet.
5. Definitionsbereich und sachlicher Gültigkeitsbereich
Der mathematische Definitionsbereich einer Formel kann größer sein als der sachlich sinnvolle Bereich.
Für das Taximodell liefert K(−3)=−2. Die Rechnung ist algebraisch möglich, aber eine gefahrene Strecke von −3 km ist in diesem Kontext nicht zulässig. Deshalb gilt sachlich x≥0.
Typische Einschränkungen sind:
Zeit kann erst ab einem Startzeitpunkt betrachtet werden.
Stückzahlen sind nicht negativ und oft nur ganzzahlig.
Ein Tankinhalt kann nicht kleiner als 0 Liter werden.
Ein Tarifmodell gilt nur innerhalb eines bestimmten Vertragsbereichs.
Merke: Zuerst rechnen, danach prüfen, ob das Ergebnis im sachlichen Definitionsbereich liegt.
6. Interpolation und Extrapolation
Interpolation: Ein Modellwert wird zwischen bereits beobachteten Datenstellen bestimmt.
Extrapolation: Das Modell wird außerhalb des beobachteten Bereichs fortgesetzt.
Interpolation ist meistens besser abgesichert, weil das Modell innerhalb bekannter Daten verwendet wird. Bei einer Extrapolation können sich Bedingungen ändern, die das Modell nicht berücksichtigt.
Beispiel: Aus Messwerten der Jahre 2022 bis 2026 ist eine Schätzung für 2025 eine Interpolation. Eine Schätzung für 2045 ist eine Extrapolation und deutlich unsicherer.
7. Modellannahmen und Modellgrenzen
Jedes Modell beruht auf Annahmen. Diese müssen genannt und geprüft werden.
Beispiel: gleichförmige Fahrt
s(t)=18t
Dabei ist t die Zeit in Stunden und s(t) der Weg in Kilometern.
Das Modell nimmt an:
Die Geschwindigkeit beträgt ständig 18 km/h.
Es gibt keine Pausen.
Start- und Endphase werden nicht gesondert berücksichtigt.
Für eine kurze, gleichmäßige Fahrt kann das Modell brauchbar sein. Für eine lange Radtour mit Pausen und wechselndem Gelände ist es nur eingeschränkt geeignet.
Fragen zur Modellkritik
Welche Einflüsse wurden weggelassen?
Für welchen Bereich liegen Daten oder Erfahrungen vor?
Passen Einheit und Größenordnung?
Wie groß sind Abweichungen zwischen Modell und Messwerten?
Ist ein anderes Modell möglicherweise angemessener?
8. Modelle auswählen und vergleichen
Nicht jede Entwicklung ist linear. Die Art der Änderung hilft bei der Modellwahl.
Beobachtung
Häufig passender Modelltyp
In gleichen Schritten kommt immer derselbe Betrag dazu.
lineares Modell
In gleichen Schritten wird immer mit demselben Faktor multipliziert.
exponentielles Modell
Eine Größe nähert sich einer Grenze.
beschränktes Modell
Die Änderung wechselt deutlich.
eventuell Polynom- oder anderes Modell
Beispiel: Verdopplung
Eine Bakterienkultur startet mit 500 Bakterien und verdoppelt sich alle 3 Stunden.
N(t)=500⋅2t/3
Für t=6 gilt
N(6)N(6)N(6)=500⋅26/3=500⋅22=2000
Deutung: Nach dem Modell sind nach 6 Stunden 2000 Bakterien vorhanden. In der Realität kann das exponentielle Wachstum nicht unbegrenzt weitergehen, weil Platz und Nährstoffe begrenzt sind.
9. Vollständiger Arbeitsplan
Reale Situation und Fragestellung lesen.
Eingabegröße, Zielgröße und Einheiten festlegen.
Annahmen und zulässigen Bereich nennen.
Funktion aufstellen oder auswählen.
Rechnung mit sichtbaren Zwischenschritten durchführen.
Ergebnis mit Einheit in einem vollständigen Satz deuten.
Plausibilität, Datenbereich und Modellgrenzen prüfen.
Modell bei Bedarf verändern oder verwerfen.
Das solltest du können: Funktionen als vereinfachte Beschreibungen realer Situationen verstehen, mit ihnen rechnen und begründet beurteilen, wann ihre Ergebnisse sinnvoll sind.
Zwischen realer Beschreibung und funktionalen Darstellungen wechseln.
1
Textinformationen ordnen
Feste Anteile, Änderungen pro Einheit, Startwerte und Bedingungen markieren.
2
Formel aufstellen
Die reale Beschreibung in eine Funktionsgleichung mit erklärten übersetzen.
3
Tabelle untersuchen
Konstante Differenzen oder Quotienten erkennen und zur Modellwahl verwenden.
4
Graph deuten
Achsen, Anfangswert, , Verlauf und betrachteten Bereich im Kontext lesen.
FA 1.7 - Mit Modellen rechnen
Modellwerte und zugehörige Eingaben schrittweise bestimmen.
1
Modellwert berechnen
Zulässige Eingabe einsetzen und die Rechnung schrittweise durchführen.
2
Eingabe bestimmen
Einen vorgegebenen Modellwert gleichsetzen und nach der Eingabegröße lösen.
3
Umformungen ausrichten
Gleichheitszeichen und /Operation in festen Spalten darstellen; keine Pfeile verwenden.
4
Ergebnis kontrollieren
Durch Einsetzen, Größenordnung, Einheit und Graph prüfen.
FA 1.7 - Ergebnisse im Kontext deuten
Modellergebnisse mit Bezug, Einheit und Gültigkeitsbereich erklären.
1
Eingabewert deuten
Erklären, auf welche Zeit, Strecke, Menge oder andere Ausgangsgröße sich das Ergebnis bezieht.
2
Modellwert deuten
Zielgröße und Einheit im vollständigen Satz nennen.
3
Sachlichen Bereich prüfen
Nur Ergebnisse übernehmen, die im realen Kontext zulässig sind.
4
Interpolation erkennen
Schätzungen innerhalb des beobachteten Datenbereichs als Interpolation kennzeichnen.
5
Extrapolation kennzeichnen
Vorhersagen außerhalb des Datenbereichs als unsicherere Fortsetzung benennen.
FA 1.7 - Modelle prüfen und Grenzen beurteilen
Plausibilität, Modellabweichungen, Annahmen und Grenzen strukturiert untersuchen.
1
Plausibilität prüfen
Vorzeichen, Größenordnung, Einheit und Verlauf mit der Situation vergleichen.
2
Modellabweichung bestimmen
Messwert und Modellwert vergleichen und Richtung sowie Größe der Abweichung deuten.
3
Annahmen hinterfragen
Prüfen, ob konstante Raten, oder sonstige Voraussetzungen realistisch bleiben.
4
Datenbereich beachten
Interpolation und Extrapolation unterschiedlich zuverlässig beurteilen.
5
Modell verbessern
Bei systematischen Abweichungen Annahmen, oder Funktionstyp anpassen.
FA 1.7 – Modellgrößen identifizieren
Die im Funktionsmodell verwendeten Größen und Einheiten bestimmen.
1
Modellformel lesen
Bestimme alle Größen und , die im gegebenen Funktionsmodell vorkommen.
2
Eingangsgröße identifizieren
Kläre, welche Größe als unabhängige in das Modell eingeht.
3
Ausgangsgröße identifizieren
Bestimme die Größe, die durch den beschrieben wird.
4
Parameter unterscheiden
Trenne feste Modellparameter von veränderlichen Größen.
5
Einheiten zuordnen
Notiere zu jeder verwendeten Sachgröße die passende Einheit.
6
Modellgrößen zusammenfassen
Beschreibe in einem Satz, welche Ausgangsgröße aus welcher Eingangsgröße mit welchen festen modelliert wird.
FA 1.7 – Modellannahme erkennen
Eine vereinfachende Annahme eines Funktionsmodells benennen.
1
Realen Sachverhalt betrachten
Bestimme, welcher reale Vorgang oder Zusammenhang durch das Modell vereinfacht beschrieben wird.
2
Modellstruktur prüfen
Achte darauf, welche Eigenschaften des realen Vorgangs in der Formel berücksichtigt werden.
3
Vereinfachung suchen
Finde eine Eigenschaft, die als konstant, idealisiert oder vernachlässigt angenommen wird.
4
Annahme konkret benennen
Formuliere die Vereinfachung als klare Modellannahme.
5
Folgewirkung bedenken
Überlege, in welchen Situationen diese Annahme besonders gut oder schlecht passen könnte.
6
Annahme vom Ergebnis trennen
Unterscheide die zugrunde liegende Modellannahme von einem daraus berechneten Modellwert.
FA 1.7 – Modellwert berechnen
Mithilfe eines Funktionsmodells einen Wert berechnen.
1
Gesuchten Modellwert bestimmen
Kläre, welche Ausgangsgröße für welchen Eingabewert gesucht ist.
2
Eingabewert prüfen
Stelle sicher, dass der gegebene Wert im vorgesehenen Modellbereich liegt.
3
In Modellfunktion einsetzen
Ersetze die unabhängige durch den gegebenen Eingabewert.
4
Term berechnen
Führe die Rechenoperationen in korrekter Reihenfolge aus.
5
Einheit ergänzen
Gib dem berechneten Modellwert die Einheit der abhängigen Größe.
6
Plausibilität prüfen
Vergleiche Größenordnung und Vorzeichen mit dem Sachkontext.
FA 1.7 – Modellwert interpretieren
Einen berechneten Modellwert im Sachkontext deuten.
1
Modellwert notieren
Übernimm den berechneten mit seinem zugehörigen Eingabewert.
2
Variablenbedeutung erinnern
Ordne Eingabe und Ausgabe wieder den konkreten Sachgrößen zu.
3
Einheiten ergänzen
Verwende für beide Größen die passenden Einheiten.
4
Modellcharakter beachten
Kennzeichne den Wert als Ergebnis des verwendeten Modells und nicht automatisch als exakten Messwert.
5
Zeitpunkt oder Situation nennen
Formuliere, für welchen Eingabewert beziehungsweise welche Situation die Aussage gilt.
6
Kontextsatz schreiben
Beschreibe den Modellwert vollständig in verständlicher Sachform.
FA 1.7 – Modellbereich bestimmen
Den sachlich sinnvollen Definitionsbereich eines Modells festlegen.
1
Unabhängige Variable bestimmen
Kläre, welche Sachgröße den Definitionsbereich des Modells festlegt.
2
Mathematische Einschränkungen prüfen
Beachte Bedingungen des Funktionsterms wie ausgeschlossene Nennerwerte oder unzulässige Wurzelausdrücke.
3
Sachliche Untergrenze bestimmen
Berücksichtige zum Beispiel Startzeit, Nichtnegativität oder Mindestmengen.
4
Sachliche Obergrenze bestimmen
Berücksichtige Endzeit, Kapazität oder einen nur begrenzt gültigen Messbereich.
5
Werteart prüfen
Entscheide, ob nur ganze Werte oder auch kontinuierliche Zwischenwerte sinnvoll sind.
6
Modellbereich angeben
Formuliere den sachlich sinnvollen Definitionsbereich als Menge, oder klare Bereichsaussage.
FA 1.7 – Modellgrenze benennen
Eine fachliche oder sachliche Grenze eines Funktionsmodells beschreiben.
1
Modellzweck benennen
Kläre, welchen Sachverhalt das Funktionsmodell beschreiben soll.
2
Modellannahmen erinnern
Bestimme, welche Vereinfachungen dem Modell zugrunde liegen.
3
Gültigkeitsbereich prüfen
Untersuche, für welche Eingabewerte oder Situationen das Modell vorgesehen ist.
4
Reale Einflussfaktoren suchen
Finde relevante Einflüsse, die das Modell nicht berücksichtigt.
5
Grenze konkret formulieren
Beschreibe eine Situation, in der das Modell keine verlässliche Beschreibung mehr liefert.
6
Folge der Grenze benennen
Erkläre, warum Modellwerte dort nur eingeschränkt oder gar nicht sinnvoll interpretiert werden dürfen.
FA 1.7 – Modellangemessenheit beurteilen
Beurteilen, ob ein gegebenes Funktionsmodell für einen Sachverhalt angemessen ist.
1
Sachverhalt und Modellziel klären
Bestimme, welche Größe und welcher Verlauf mit dem Modell beschrieben werden sollen.
2
Datenbezug prüfen
Vergleiche Modellwerte oder Modellverlauf mit gegebenen Messwerten beziehungsweise bekannten Eigenschaften.
3
Gültigkeitsbereich beachten
Beurteile das Modell nur in dem Bereich, für den es eingesetzt werden soll.
4
Annahmen bewerten
Prüfe, ob die vereinfachenden Modellannahmen im betrachteten Kontext vertretbar sind.
5
Abweichungen gewichten
Unterscheide kleine akzeptable Abweichungen von systematisch unpassendem Verhalten.
6
Angemessenheitsurteil formulieren
Begründe, ob das Modell für den vorgesehenen Zweck geeignet, nur eingeschränkt geeignet oder ungeeignet ist.
FA 1.7 – Linearen Interpolationswert berechnen
Zwischen zwei gegebenen Stützpunkten einen Zwischenwert unter Annahme eines linearen Verlaufs berechnen.
1
Stützpunkte notieren
Schreibe die beiden gegebenen Punkte (x₁|y₁) und (x₂|y₂) auf.
2
Zwischenlage prüfen
Stelle sicher, dass der gesuchte x-Wert zwischen den beiden Stützstellen liegt.
3
Lineare Änderungsrate bestimmen
Berechne die konstante (y₂−y₁)/(x₂−x₁).
4
Abstand zur ersten Stützstelle bestimmen
Berechne x−x₁.
5
Zwischenwert berechnen
Berechne y=y₁+·(x−x₁).
6
Plausibilität prüfen
Der interpolierte Wert sollte bei gleichgerichtetem linearem Verlauf zwischen den beiden Stützpunktwerten liegen.
FA 1.7 – Linearen Interpolationswert im Kontext interpretieren
Einen durch lineare Interpolation ermittelten Zwischenwert mit Größe, Einheit und Bedeutung im Sachkontext deuten.
1
Interpolierten Wert übernehmen
Notiere den berechneten Zwischenwert und den zugehörigen Eingabewert.
2
Sachgrößen zuordnen
Ordne beiden Zahlen ihre konkrete Bedeutung im Kontext zu.
3
Einheiten ergänzen
Gib Eingabe und interpolierten Wert mit den passenden Einheiten an.
4
Linearitätsannahme nennen
Beachte, dass der Zwischenwert unter der Annahme eines linearen Verlaufs zwischen den Stützpunkten entstanden ist.
5
Zwischenlage betonen
Formuliere, dass es sich um einen geschätzten Wert zwischen bekannten Datenpunkten handelt.
6
Kontextsatz schreiben
Gib die vollständige Bedeutung des interpolierten Werts in einem Satz an.
FA 1.7 – Quadratische Interpolation erkennen
Das Bestimmen von Zwischenwerten mit einer Polynomfunktion zweiten Grades als quadratische Interpolation erkennen.
1
Anzahl der Stützpunkte prüfen
Bei quadratischer Interpolation werden typischerweise drei geeignete Stützpunkte verwendet.
2
Modellgrad erkennen
Die Interpolationsfunktion ist eine Polynomfunktion zweiten Grades.
3
Durchgangsbedingung verstehen
Die soll durch alle drei vorgegebenen Stützpunkte verlaufen.
4
Zwischenwertziel erkennen
Mit der werden Werte zwischen den bekannten Stützstellen geschätzt.
5
Von linearer Interpolation unterscheiden
Lineare Interpolation verwendet eine Gerade zwischen zwei Stützpunkten; quadratische Interpolation berücksichtigt die Krümmung einer Parabel.
6
Verfahren benennen
Ordne das beschriebene Vorgehen als quadratische Interpolation ein.
FA 1.7 – Quadratische Interpolationsfunktion bestimmen
Aus drei geeigneten Stützpunkten eine quadratische Interpolationsfunktion bestimmen.
1
Quadratischen Ansatz wählen
Setze p(x)=a·x²+b·x+c an.
2
Ersten Stützpunkt einsetzen
Setze dessen x- und y-Wert in p(x) ein und erhalte eine für a, b und c.
3
Zweiten Stützpunkt einsetzen
Bilde entsprechend die zweite .
4
Dritten Stützpunkt einsetzen
Bilde die dritte .
5
Gleichungssystem lösen
Bestimme die drei a, b und c aus den drei .
6
Interpolationsfunktion prüfen
Setze alle drei Stützstellen in die gefundene ein und kontrolliere die vorgegebenen y-Werte.
FA 1.7 – Quadratischen Interpolationswert berechnen
Mit einer gegebenen quadratischen Interpolationsfunktion einen Zwischenwert berechnen.
1
Interpolationsfunktion notieren
Schreibe die gegebene quadratische Interpolationsfunktion vollständig auf.
2
Gesuchte Stützstelle bestimmen
Bestimme den Eingabewert, für den der Zwischenwert benötigt wird.
3
Eingabewert einsetzen
Ersetze x in der durch diesen Wert.
4
Term berechnen
Berechne Potenz-, Produkt- und Summenanteile in korrekter Reihenfolge.
5
Einheit ergänzen
Ordne dem die Einheit der abhängigen Sachgröße zu.
6
Plausibilität prüfen
Vergleiche den Wert mit den benachbarten bekannten Stützpunkten und dem erwarteten gekrümmten Verlauf.
FA 1.7 – Quadratische Interpolation im Kontext deuten
Einen quadratisch interpolierten Zwischenwert mit Größe, Einheit und Bedeutung im Sachkontext interpretieren.
1
Quadratisch interpolierten Wert übernehmen
Notiere Eingabewert und berechneten .
2
Sachgrößen zuordnen
Ordne beide Werte den konkreten Größen des Modells zu.
3
Einheiten ergänzen
Verwende die passenden Einheiten für Eingabe und Ausgabe.
4
Interpolationsannahme nennen
Beachte, dass die Schätzung auf einer durch die gegebenen Stützpunkte beruht.
5
Näherungscharakter einordnen
Unterscheide den interpolierten Modellwert von einem tatsächlich gemessenen Wert.
6
Kontextsatz formulieren
Beschreibe vollständig, welchen Zwischenwert das quadratische Modell für die betrachtete Situation liefert.