Nieuwe pagina 1

VWO WA, 2016 - I ^PILOT

Aalscholvers en vis

In het IJsselmeergebied leven veel aalscholvers. Deze vogels voeden zich met vis. Zij zijn daarom een concurrent voor de visserij in het IJsselmeergebied.
In de periode 1997-2001 is uitgebreid onderzoek gedaan naar de visconsumptie van aalscholvers. Hiervoor werden braakballen van aalscholvers geanalyseerd.

Uit het braakballenonderzoek bleek dat een volwassen aalscholver ongeveer 360 gram vis per dag at en een jong ongeveer 285 gram per dag.
In juni 1999 zijn er in het IJsselmeergebied 30012 volwassen en 6961 jonge aalscholvers geteld. We gaan ervan uit dat die aantallen voor de gehele maand golden.

3p.

Bereken hoeveel kg vis er in die maand door de aalscholvers gegeten is. Rond je antwoord af op duizendtallen.

Eén keer per dag braakt een aalscholver een bal uit met alle onverteerbare resten van de vissen die hij die dag gegeten heeft. In zo'n braakbal zitten onder andere otolieten (gehoorsteentjes) en kauwplaatjes van verschillende vissoorten (zie foto). Deze worden gesorteerd op vissoort en de lengtes worden gemeten.

Met behulp van formules kan men dan de lengte en het gewicht berekenen van de vissen waarvan ze afkomstig zijn. Zo wordt vastgesteld wat de aalscholver die dag gegeten heeft. In de tabel staan de gebruikte formules voor twee belangrijke vissoorten die op het menu staan van de aalscholver.

vissoort	formule voor de lengte	formule voor het gewicht
pos	L = -11,31 + 22,14 ·O	ln(G) = -12,911 + 3,335· ln(L)
blankvoorn	ln(L) = 3,896 + 0,734· ln(K)	ln(G) = -13,431 + 3,396 · ln(L)

In deze formules is O de gemeten otolietlengte in mm, K de gemeten kauwplaatlengte in mm, L de lengte van de vis in mm en G het gewicht van de vis in gram.

In een braakbal wordt een otoliet van een pos aangetroffen. Deze otoliet heeft een lengte van 3,4 mm.

4p.

Bereken het gewicht van deze pos. Geef je antwoord in gram in één decimaal nauwkeurig

Voor de blankvoorn kunnen we de twee formules in de tabel herleiden tot één formule waarmee we het gewicht van deze vis uit de kauwplaatlengte kunnen berekenen.

3p.

Stel een formule op waarmee het gewicht G van de blankvoorn wordt uitgedrukt in de kauwplaatlengte K.

Bij de blankvoorn is het verband tussen kauwplaatlengte en de lengte van de vis in de tabel anders te schrijven:
de formule ln(L) = 3,896 + 0,734 · ln(K) is te herleiden tot

L = 49,2 · K^0,734

Aan de exponent 0,734 in deze formule kunnen we zien dat de lengte van de vis steeds minder sterk toeneemt bij toenemende kauwplaatlengte. Dat kun je ook met behulp van de afgeleide nagaan.

4p.

Stel een formule op voor de afgeleide van L en laat met behulp hiervan zien dat de lengte van de blankvoorn steeds minder sterk toeneemt bij toenemende kauwplaatlengte.

Fietsen en energie.

De formules voor het basisenergieverbruik, de energie die iemand per dag nodig heeft voor alle activiteiten van een lichaam in rust, zoals hartwerking, ademhaling, enzovoort, staan in tabel 1. In deze formules is B het basisenergieverbruik in kcal (kilocalorieën) per dag en G het lichaamsgewicht van de persoon in kg.

Tabel 1: basisenergieverbruik
leeftijdsgroep	formule
18 - 30 jaar (jongvolwassen)	B = 15,3G + 679
31 - 60 jaar (ouder)	B = 11,6G + 879

Er gelden verschillende formules voor jongvolwassen en voor oudere personen. We vragen ons af welke van deze twee groepen het laagste basisenergieverbruik heeft. Dit hangt volgens de formules in tabel 1 af van het lichaamsgewicht van een persoon.

4p.

Onderzoek bij welke lichaamsgewichten tussen 40 en 120 kg de jongvolwassenen een lager basisenergieverbruik hebben dan de ouderen.

Als iemand sport, is de totale energie die hij of zij nodig heeft groter dan het basisenergieverbruik. De formule voor de totale energie T per dag is T = 1,3B + S. Hierbij is B het basisenergieverbruik per dag en S het energieverbruik voor het sporten per dag zoals fietsen, zwemmen en hardlopen.

In tabel 2 staat het energieverbruik in kcal per kg lichaamsgewicht per uur bij fietsen bij een aantal snelheden. Neem aan dat het energieverbruik tussen de aangegeven snelheden in lineair verloopt.

Tabel 2: energieverbruik bij fietsen
snelheid (km/uur)	14	17	20	24	28	35	42
energieverbruik (kcal/kg/uur)	4	6	8	10	12	16	20

Frits is 58 jaar en weegt 70 kg. Hij doet mee aan de fietselfstedentocht in Friesland, een tocht waarbij op één dag 240 km gefietst wordt. We nemen aan dat hij de hele tocht rijdt met een snelheid van 25 km/uur.

4p.

Bereken het totale energieverbruik van Frits op deze dag.

Bij een hogere snelheid wordt per uur een grotere afstand afgelegd. Je kunt voor elke snelheid die in de tabel vermeld wordt, het energieverbruik per kg lichaamsgewicht bij het fietsen per afgelegde kilometer berekenen. Alex beweert dat dit voor elke snelheid gelijk is. Bert zegt dat dit hoger is bij hogere snelheden en Carolien beweert dat dit lager is bij hogere snelheden. Eén van deze drie personen heeft gelijk.

4p.

Onderzoek met behulp van tabel 2 wie van de drie gelijk heeft.

Bij een triatlon wordt er achtereenvolgens gezwommen, gefietst en hardgelopen. Er zijn veel verschillende afstanden mogelijk voor de drie onderdelen. Zo bestaat de Ironman − ook wel de hele triatlon genoemd − uit een zwemonderdeel van 3800 m, een fietsonderdeel van 180 km en een hardlooponderdeel van 42,2 km. De Olympische triatlon echter, gaat over 1500 m zwemmen, 40 km fietsen en 10 km hardlopen.

Je zou een triatlon kunnen samenstellen waarbij voor elk onderdeel het energieverbruik voor het sporten even groot is. We gaan daarbij uit van een atleet die met een dusdanige snelheid hardloopt, dat zijn energieverbruik 1 kcal per afgelegde kilometer is. De atleet zwemt met een snelheid waarbij zijn energieverbruik 4 kcal per km is. En hij fietst met een snelheid waarbij hij 0,4 kcal per km verbruikt. De genoemde waarden voor het energieverbruik gelden steeds per kg lichaamsgewicht.

5p.

Bereken de afstanden voor het zwemmen, fietsen en hardlopen in een triatlon van in totaal 21 km waarbij het energieverbruik van deze atleet voor elk onderdeel steeds even groot is.

Elvis

De Amerikaan T.J. Pennings heeft onderzocht hoe snel zijn hond Elvis een weggegooide bal bereikt. In onderstaande figuur staat een schets van het bovenaanzicht van de situatie. Pennings en Elvis staan bij het vaste punt A. Het vaste punt C bevindt zich 15 meter verderop langs de waterkant. Pennings gooit een bal in het water, zodanig dat deze ergens op de denkbeeldige lijn door C loodrecht op de waterkant terechtkomt; het punt waar de bal terechtkomt, noemen we B. De afstand BC, uitgedrukt in meters, noemen we p.



Elvis bepaalt zelf het punt vanaf waar hij gaat zwemmen. Dat punt noemen we D. Dus Elvis rent van A naar D langs de waterkant en zwemt vervolgens van D naar B. Pennings doet dit experiment 35 keer (eigenlijk gooide Pennings wel vaker dan 35 keer, maar alle keren waarbij hij er niet in slaagde om de bal ter hoogte van C te gooien, schrapte hij uit zijn waarnemingen), waarbij hij de afstand p steeds varieert. Bij elke worp noteert hij p en de afstand CD. Deze afstand CD, uitgedrukt in meters, noemen we q. De waarden van p en q heeft Pennings uitgezet in de figuur hieronder: elk punt hoort bij een worp.



Zo lees je af dat bij een van de worpen geldt: p = 15,3 en q = 2,3 (zie punt E). Dat betekent dat Elvis 2,3 meter voor punt C in het water springt. Uit de figuur blijkt dat de punten bij benadering op een rechte lijn door (0,0) liggen. Dat betekent dat q recht evenredig is met p. Op basis van deze recht evenredigheid kan men de volgende conclusies trekken:
1.	Hoe verder van punt C de bal in het water komt, hoe eerder Elvis het water in springt.
2.	Als de afstand CB twee keer zo klein wordt, wordt de afstand AD ook twee keer zo klein.

4p.	9.	Geef van elk van de beide bovenstaande conclusies aan of deze volgt uit het recht evenredige verband. Licht je antwoord toe.

De vergelijking van de rechte lijn uit de figuur is bij benadering q = 0,2 • p. Hierin is de richtingscoëfficiënt 0,2 een grove benadering.

3p.	10.	Bereken de waarde van de richtingscoëfficiënt van deze lijn in twee decimalen nauwkeurig met behulp van de figuur.

Het is ook mogelijk het gedrag van Elvis theoretisch te bekijken. Hierover gaat de rest van deze opgave. De afstand AC is 15 meter en de afstand BD is volgens de stelling van Pythagoras gelijk aan √(p² + q²). We nemen bovendien aan dat Elvis met een constante snelheid van 7 m/s rent en met een constante snelheid van 1 m/s zwemt.

Voor elke worp kunnen we de totale tijd die Elvis nodig heeft om de bal te bereiken, berekenen met de formule: T = 0,143 • (15 - q) + √(p² + q²). Hierin is T de totale tijd in seconden en q de afstand CD in meters. Voor de volgende vraag bekijken we een worp waarbij de afstand CB = 20m, dus p = 20 . De formule wordt dan: T = 0,143 • (15 - q) + √(400 + q²).

De afgeleide van deze formule is:


5p.	11.	Toon met behulp van differentiëren aan dat deze afgeleide juist is en bereken door deze afgeleide gelijk aan 0 te stellen, na hoeveel meter rennen Elvis het water in moet springen om zo snel mogelijk de bal te bereiken.

We gaan nu weer uit van de formule T = 0,143 • (15 - q) + √(p² + q²) en we bekijken ^dT/_d_q Er geldt:



4p.	12.	Laat zien dat door deze afgeleide gelijk aan 0 te stellen de vergelijking q = 0,14p ontstaat, waarbij 0,14 is afgerond op twee decimalen.

Geocachen.

Geocachen is een activiteit waarbij je verborgen schatten zoekt. Vrijwilligers verstoppen een klein kistje - een zogeheten geocache op een bepaalde plaats - en publiceren de coördinaten van de betreffende plaats op internet. De geocachers kunnen daarna de geocache zoeken met behulp van een gps-systeem. Deze activiteit ontstond in 2000 in de Verenigde Staten en heeft sindsdien een hoge vlucht genomen. In deze opgave bekijken we hoe het aantal op internet gepubliceerde geocaches groeide. In de tabel zie je de aantallen voor de periode 2000-2011.

datum	aantal geocaches
3 mei 2000	1
1 januari 2007	500000
15 maart 2010	1000000
27 augustus 2011	1500000

De groei van het aantal geocaches was spectaculair. Een eerste model om het aantal geocaches te beschrijven is als volgt:

Hierin is t de tijd in jaren met t = 0 op 1 januari 2000 en N het aantal geocaches in miljoenen.

3p.

13.

Bereken hoeveel het aantal geocaches dat dit model oplevert voor 1 januari 2007 afwijkt van het werkelijke aantal. Rond je antwoord af op duizendtallen.

Om te berekenen op welk moment een bepaald aantal geocaches bereikt is, kun je dit model omschrijven tot een formule van de vorm: t = a - b • c^-N

4p.

14.

Bereken de waarden van de constanten a, b en c.

Hoewel dit eerste model redelijk paste voor de periode 2000-2011, is het nu niet meer bruikbaar.

2p.

15.

Leg uit hoe je aan de formule van het eerste model ziet, dat dit model nu niet meer bruikbaar is.

Na 2011 was de groei van het aantal geocaches minder spectaculair. Dit was mede aanleiding om het model bij te stellen. Hieruit kwam het tweede model voort:

Ook hierin is t de tijd in jaren met t = 0 op 1 januari 2000 en M het aantal geocaches in miljoenen. M is stijgend, dus het aantal geocaches wordt groter naarmate t groter wordt.

Je kunt met behulp van alleen de formule voor M(t), dus zonder te differentiëren of gebruik te maken van de grafiek, beredeneren dat de stijging van het aantal geocaches op den duur heel klein wordt.

4p.

16.

Geef zo’n redenering.

Golvende muur.

Op de foto zie je een gedeelte van een muur met een golvende bovenkant. In totaal zijn er zes golven. Elke golf begint en eindigt op een laagste punt. De afstand tussen die twee laagste punten noemen we de lengte van de golf. Elke golf is een factor 1,4 langer dan de vorige, maar de hoogte van de golven blijft gelijk.



De zes golven zijn elk bij benadering te beschrijven met (een deel van) een sinusoïde. Voor de golvende muur loopt een weg. Deze weg loopt op de foto naar beneden, maar voor het wiskundige model gaan we ervan uit dat de weg horizontaal loopt. In het model begint elke golf op dezelfde hoogte als de eerste golf. Voor de eerste golf kan men de volgende formule opstellen:



Hierin is h de hoogte van de golf boven de grond in meters en x de horizontale afstand in meters vanaf het beginpunt van de eerste golf met 0 ≤ x ≤ 2,5. Zie de figuur. In de figuur zijn ook de tweede, de derde en een deel van de vierde golf getekend.



2p.	17.	Bereken het hoogteverschil tussen het hoogste en het laagste punt van de eerste golf.

Omdat de lengte van een volgende golf steeds met een factor 1,4 vermenigvuldigd wordt, kan de lengte van de golven gegeven worden door een meetkundige rij met als directe formule:

L_n = 2,5 • 1,4^{n - 1}

Hierin is L_n de lengte in meters van de golf met rangnummer n. De eerste golf heeft het nummer n = 1. De tweede golf is even hoog als de eerste.

5p.	18.	Stel een formule op voor de sinusoïde die de tweede golf beschrijft, waarin h de hoogte van de golf boven de grond is in meters en x de horizontale afstand in meters vanaf het beginpunt van de eerste golf.

3p.	19.	Bereken de lengte van de zes golven samen. Rond je antwoord af op gehele cm.

Als er niet zes, maar veel meer van dergelijke golven zijn, is het handig om een formule op te stellen voor de som van de lengtes van de golven. Omdat de lengtes van de golven een meetkundige rij vormen, kun je hiervoor gebruikmaken van de formule voor de som van de eerste n termen van een meetkundige rij:



Hiermee kan een formule worden opgesteld voor de lengte S_n van n golven samen. Deze formule is vervolgens te herleiden tot de vorm S_n = a • 1,4ⁿ+ b

4p.	20.	Voer deze herleiding uit en geef de waarden van a en b in deze formule in twee decimalen nauwkeurig.

Zwart-wit.

Veel kunst is samengesteld uit regelmatige patronen. Vormgever Wim Crouwel heeft de serie Tide gemaakt. In de werken uit die serie komt een beeld naar voren, dat is opgebouwd uit telkens veranderende vierkantjes. Zie de figuur.

Als je het werk goed bekijkt, zie je dat het bestaat uit vierkantjes die elk door middel van een lijnstukje in een zwart en een wit deel worden verdeeld. Helemaal zwarte of helemaal witte vierkantjes komen niet voor.

In de figuur zijn (11×12 =) 132 vierkantjes getekend. Maar er zitten dubbele in: bijvoorbeeld het eerste vierkantje op de achtste rij en het eerste vierkantje op de twaalfde rij. Zie de pijltjes in de figuur.

Het is niet zo snel te zien of van elk vierkantje de versie met zwart en wit verwisseld ook voorkomt, zoals in de twee verschillende vierkantjes in de onderstaande figuur.

De vierkantjes zijn 20 cm bij 20 cm groot. De lijnstukjes lopen telkens van een punt op een zijde naar een punt op een andere zijde. De punten op de zijden liggen 5 cm uit elkaar. In figuur 3 staan alle mogelijke lijnstukjes vanuit het punt linksboven en vanuit het punt 5 cm naar rechts.

7p.

21.

Bereken hoeveel verschillende vierkantjes er kunnen worden gemaakt.

UITWERKING

Het officiële (maar soms beknoptere) correctievoorschrift kun je HIER vinden. Vooral handig voor de onderverdeling van de punten.

Per dag:
door de volwassenen 360 • 30012 = 10804320 gram
door de jongen: 285 • 6961 = 1983885
samen is dat 12788205 gram

Juni heeft 30 dagen dus in de hele maand 30 • 12788205 = 383646150 gram = 383646,150 kg
Op duizenden afgerond is dat 384000 kg.

L = -11,31+ 22,14 · 3,4 = 63,966 mm
ln(G) = -12,911 + 3,335· ln(63,966) = 0,9571......
Dan is G = e^0,9571.... = 2,604... gram en dat is afgerond 2,6 gram

ln(G) = -13,431 + 3,396 · ln(L)
ln(G) = -13,431 + 3,396 • (3,896 + 0,734· ln(K))
l`n(G) = -13,431 + 3,396 • 3,896 + 3,396 • 0,734 • ln(K)
ln(G) = -13,431 + 13,230816 + 2,492664 • ln(K)
ln(G) = -0,2002 + 2,492664 • ln(K)
G = e^{(-0,2002 + 2,492664ln(K))}
G = e^-0,200 • (e^ln(K)))^2,49664
G = 0,819 • K^2,493

L = 49,2 · K^0,734
L ' = 0,734 • 49,2 • K^-0,266 = ^36,1128/_K0,266
L ' is groter dan nul, dus L is stijgend.
Als K groter wordt, wordt de noemer van L' groter, dus wordt L' kleiner, dus stijgt L minder snel.
Dus als K groter wordt, stijgt L minder snel, dus L is afnemend stijgend.

Wanneer zijn de verbruiken gelijk:
15,3G + 679 = 11,6G + 879
3,7G = 200
G = ²⁰⁰/_3,7 = 54,1
De jongvolwassenen hebben bij lagere lichaamsgewichten een kleiner verbruik dan de ouderen
Dat is dus bij gewichten tussen de 40 en 54,1 kg.

B = 11,6G + 879 = 11,6 • 70 + 879 = 1691 kcal is zijn basisverbruik
240 km met 25 km/uur gemiddeld betekent dat hij ²⁴⁰/₂₅ = 9,6 uur fietst
tussen 24 en 28 neemt het energieverbruik toe met 2 kcal/kg/uur
dus tussen 24 en 25 neemt het toe met ¹/₄ • 2 = 0,5 kcal/kg/uur
dus bij 25 km/uur is het verbruik 10,5 kcal/kg/uur
T = 1,3 • 1691 + 10,5 • 9,6 • 70 = 9254,3 kcal.

bekijk één uur, dan is de afstand in km gelijk aan de snelheid:

snelheid = afstand	14	17	20	24	28	35	42
energieverbruik	4	6	8	10	12	16	20
energieverbruik per km	0,29	0,35	0,4	0,42	0,43	0,46	0,48

de laatste rij is gemaakt door het energieverbruik te delen door de afstand.
Je ziet dat het verbruik per km bij hogere snelheden groter wordt, dus Bert heeft gelijk.

Als je F kilometer fietst en Z zwemt en H hardloopt, dan verbruik je daarbij 0,4F en 4Z en H kcal.
Samen moet dat 21 zijn, dus H + F + Z = 21
H = 4Z dus Z = 0,25H
H = 0,4F dus F = 2,5H
Dan staat er H + 2,5H + 0,25H = 21
3,75H = 21
H = 5,6 km
dan is F = 14 km en Z = 1,4 km.

1 volgt WEL uit het recht evenredige verband, immers als p groter wordt, wordt q ook groter.
2 volgt NIET uit het recht evenredige verband, immers als p twee keer zo klein wordt, wordt q dat ook (recht evenredige verband) maar dan wordt AD = 15 - q juist groter.

10.

De lijn gaat bijvoorbeeld door (14.5, 2.2)
2,2 = a • 14,5 geeft a = ^2,2/_14,5 = 0,15

11.

T = 0,143 • 15 - 0,143q + (400 + q²)^0,5
0,143 15 heeft afgeleide 0
-0,143q heeft afgeleide -0,143
(400 + q²)^0,5 heeft afgeleide 0,5 • (400 + q²)^-0,5 • 2q (die laatste 2q komt van de kettingregel)

samen met 0 en -0,143 (afgeleide van het eerste deel) geeft dat de gevraagde formule.

12.

0,143 • √(p² + q²) = q
kwadrateren: 0,020449(p² + q²) = q²
0,020449p² + 0,020449q² = q²
0,02044p² = q² - 0,020449q²
0,020449p² = 0,979551q²
^0,020449/_0,979551 • p² = q²
0,020876 • p²= q²
wortel trekken: 0,14448 • p = q
dat is inderdaad ongeveer q = 0,14p

13.

t = 7 geeft N = ⁴log(¹³/_{(13
- 7)}) = ⁴log(2,166...) = ^{log(2,166...)}/_log(4) = 0,5562 dus dat zijn er 556200
Het werkelijke aantal was 500000 dus het wijkt 56200 af

14.

N = ⁴log(¹³/_{(13 - t)})¹³/_{(13 - t)} = 4^N13 - t = ¹³/₄N = 13 • 4^-N
t = 13 - 13 • 4^-N
Dus a = 13 en b = 13 en c = 4

15.

Als t > 13 dan wordt de breuk negatief en dat bestaat ⁴log ervan niet meer.
2016 is t = 16, dus nu bestaat de formule zeker niet .

16.

Als t groter wordt, dan wordt e^-0,3t steeds kleiner, en 87 • e^-^0,3t ookdus zal de noemer ongeveer gelijk aan 1 worden.
M nadert dan naar 5,6 en zal dus steeds minder stijgen.

17.

De amplitude is 0,37 dus het verschil tussen hoogste en laagste punt is 2 • 0,37 = 0,74 meter.

18.

De periode verandert: die wordt 2,5 • 1,4 = 3,5
^2π/_2,5 verandert daarom in ^2π/_3,5
de tweede golf gaat door de evenwichtlijn omhoog bij t = 2,5 + 1/4 • 3,5 = 3,375 dus de 0,625 verandert in 3,375
Dat geeft h = 1,37 + 0,37sin (^2π/_3,5• (x - 3,375))

19.

De periodes zijn achtereenvolgens (steeds vermenigvuldigen met 1,4):
2,5 - 3,5 - 4,9 - 6,86 - 9,604 - 13,4456
samen is dat 40,8096 meter
Dat is ongeveer 4081 cm.

20.

De eerste term is 2,5 en de factor is 1,4, dus dat geeft:

S_n = 6,25 • 1,4ⁿ - 6,25
Dus a = 6,25 en b = -6,25

21.

Er zijn 16 mogelijke hoekpunten
Kies er 2 uit de 16: dat kan op 16 nCr 2 = 120 manieren.

Maar nu vallen de lijnstukjes die langs een zijde lopen af
2 van de 5 punten op een zijde kiezen kan op 5 nCr 2 = 10 manieren per zijde dus er vallen er 40 lijnstukjes af.

Er blijven 80 lijnstukjes over.
Elke kan zwart-wit en wit-zwart gekleurd worden, dus dat zijn 160 vierkantjes.