Fachhochschule Bochum Fachhochschule Südwestfalen

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1 Fachhochschule Bochum Fachhochschule Südwestfalen Verbundstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Resch Prüfung: Mathematik Termin: August 2008 Bearbeitungszeit: 180 Minuten Name, Vorname Matrikelnummer Aufgabe Note a b c a b c d e a b c a b c a b c d e Soll Ist Hinweise: Lesen Sie zunächst alle Aufgaben durch. Vergewissern Sie sich, dass die Aufgabenstellung vollständig ist, Sie umfasst das Deckblatt und 7 Aufgabenblätter. Versehen Sie das Deckblatt mit Ihrem Namen und der Matrikelnummer. Für die Lösung ist auf den Aufgabenblättern Platz vorgesehen, die Rückseiten können dafür ebenfalls verwendet werden. Sollte der Platz dann immer noch nicht ausreichen, verweisen Sie am Seitenende auf eine konkretes (Seitennummer) der von der Prüfungsaufsicht zur Verfügung gestellten Zusatzblätter, die Sie bitte nummerieren und ebenfalls mit Ihrem Namen kennzeichnen. Eigenes Papier darf für die Lösungen nicht verwendet werden. Kennzeichnen Sie insbesondere auf Zusatzblättern bitte immer eindeutig, zu welcher Aufgabe/Teilaufgabe eine Lösung gehört. Aus Ihren Lösungen sollten die Lösungswege erkennbar sein. Falls Sie den Taschenrechner für komplexere Lösungsschritte verwenden, vermerken Sie dies bitte, z.b. Nullstelle / Gleichung... mit dem Taschenrechner bestimmt / gelöst ; Das Lösen der Teilaufgaben sind i. Allg. unabhängig voneinander möglich, d.h. Sie können Aufgabe 3.e auch lösen, wenn Sie 3.a - 3.d nicht gelöst haben! 1

2 1. In einem Inserat werden Kredite bis zu maximal e angeboten, wobei für eine Laufzeit von 4 Monaten die folgenden Bedingungen angegeben werden: Einmalige Bearbeitungsgebühr: 50 e (fällig am Tag der Kreditvergabe); 4% Zinsen (für die 4 Monate, fällig am Ende der Kreditlaufzeit); Welchem Effektivzins entspricht dieses Angebot, wenn man zu diesen Bedingungen einen Kredit in Höhe von e aufnimmt? 2

3 2. Herr X. verfügt über ein ausreichendes Einkommen, wovon er seit Januar 2002 monatlich, jeweils zum Monatsende, e auf ein Konto einzahlt. Für das Konto gilt (für alle Teilaufgaben) ein Zinssatz von 4.5%. Zusätzlich zahlt er am Ende jeden Jahres von seinem 13. Monatsgehalt e auf dieses Konto ein. (a) Über welches Guthaben kann Herr X. verfügen, wenn er vom an seinen Ruhestand genießen will? (b) Wie lange kann er von diesem Guthaben monatlich, beginnend im Januar 2022, immer zum Anfang des Monats e abheben. (c) Wie viel könnte er davon monatlich, wieder im Januar 2022 beginnend, immer zum Anfang des Monats abheben, wenn das Geld 20 Jahre reichen soll, er aber am Ende dieser 20 Jahre als Sicherheit noch e auf seinem Konto haben möchte? Hinweis: Falls Sie die Aufgabe (a) nicht lösen konnten, gehen Sie in (b) und (c) von einem Guthaben in Höhe von e aus. 3

4 3. In einem monopolistischen 1-Produkt-Unternehmen wurde der Absatz x in Abhängigkeit vom Preis p erfasst, Preis p in e/me Absatzmenge x in ME woraus sich die folgende Nachfrage-Funktion (Preis-Absatz-Funktion) ergibt. { p, p [50, 70] x N (p) = p, p (70, 120] (a) Geben Sie an, welche Eigenschaften diese Funktion hat (Monotonie, Krümmungseigenschaften, Stetigkeit, Differenzierbarkeit). (b) Bestimmen Sie zur gegebenen Preis-Absatz-Funktion x N (p) eine Erlösfunktion und daraus den Preis p 0 [50, 120], bei dem der Erlös maximal wird sowie das zugehörige Erlösmaximum. (c) Für das Unternehmen wurde eine Angebotsfunktion x A (p) = (p 40) ermittelt. Bestimmen Sie den Preis p 1, bei dem die Angebotsmenge und die absetzbare Menge identisch sind. (d) Bestimmen Sie zu dem in Aufgabe (c) ermittelten Preis p 1 die Konsumentenrente, wobei Sie davon ausgehen sollen, dass das Produkt für p > 120 nicht mehr absetzbar ist. Falls Sie Aufgabe (c) nicht lösen konnten, gehen Sie dazu von einem Preis p 1 = 64 e aus. (e) Wie würde die Nachfrage-Funktion x N (p) aussehen, wenn der Absatz bei einem Preis von 70 e auf 4000 ME sinkt, während er bei den Preisen von 50 und 120 e so bleibt, wie er in der Tabelle vorgegeben war? 4

5 4. Die Geschwindigkeit eines aus großer Höhe fallenden Körpers nähert sich wegen der der Gravitationskraft m g entgegenwirkenden Luftwiderstandskraft k v 2 einer Grenzgeschwindigkeit m g v grenz = k. Dies gilt natürlich auch für einen Fallschirmspringer, wobei sich m = m 1 +m 2 dann aus der Masse m 1 des Springers und der Masse m 2 = 10 kg der Ausrüstung zusammensetzt. Für Fallschirmspringer mit einer Körpermasse von m 1 = 80 [kg] wird ein Fallschirm mit einem Luftwiderstandsfaktor k = 36 [kg/m] empfohlen, so dass sich dann mit g 10ms 2 die angestrebte Grenzgeschwindigkeit von ca. 5 m/s ergibt. Bestimmen Sie mit Hilfe der Differentialrechnung (Fehlerrechnung mit Hilfe des Differentials), um wie viel ein Springer maximal schwerer (als 80 kg) sein darf, damit seine Grenzgeschwindigkeit um nicht mehr als 10% über dem angestrebten Wert liegt? 5

6 5. Die folgende Produktionsfunktion gibt die Produktionsmenge x eines Produktes in Abhängigkeit von den Einsatzmengen r 1, r 2 zweier Inputfaktoren an (alle Angaben in ME). x(r 1, r 2 ) = 1000 r r 1 2 2, r 1 > 0, r 2 > 0. (a) Die Einkaufspreise für die Inputfaktoren betragen p 1 = 40 und p 2 = 100 [e/me]. Ermitteln Sie für einen vorgegebenen Output von ME den kostenminimalen Faktoreinsatz nach der Methode der Lagrange-Multiplikatoren und weisen Sie nach, dass es sich dabei tatsächlich um ein Minimum handelt! (b) Wie groß ist der Lagrange-Multiplikator im Minimumspunkt und was gibt er an? (c) Der Verkaufspreis des Produktes liegt bei 0.44 e/me. Um wie viel würde der Gewinn (Differenz aus dem Verkaufserlös und den Kosten für die beiden Inputfaktoren) näherungsweise wachsen oder fallen, wenn 100 ME mehr hergestellt werden könnten? 6

7 6. In einem Unternehmen werden aus drei Rohteilen R 1, R 2 und R 3 in der Vorfertigung die beiden Zwischenprodukte Z 1 und Z 2 und in der Endfertigung werden aus diesen Zwischenprodukten und weiteren Rohteilen R 1 und R 2 die drei Endprodukte E 1, E 2 und E 3 hergestellt. Der spezifische Teilebedarf für die beiden Fertigungsstufen ist in den beiden Tabellen rechts zusammengestellt. Z 1 Z 2 R R R E 1 E 2 E 3 Z Z R R (a) Wie viele der Rohteile R 1, R 2 und R 3 müssen für die Produktion bereitgestellt werden, wenn Teile E 1, Teile E 2 und Teile E 3 gefertigt werden sollen? (b) Wie hoch sind die Materialkosten für die Endprodukte [in e /Stück], wenn die Rohteile zu Preisen von 4 e (R 1 ), 2 e (R 2 ) und 3 e (R 3 ) je Stück eingekauft werden? (c) Die Preise für die Endprodukte sind am Markt auf 40 e (E 1 ), 35 e (E 2 ) und 80 e (E 3 ) je Stück gefallen. Das Unternehmen kann dadurch nicht mehr mit Gewinn arbeiten und muss die Produktion umstellen, so dass noch vorhandene Rohteile dann nicht mehr genutzt werden können. Um nicht den gesamten Lagerbestand als Verlust buchen zu müssen, soll dieser noch weitestgehend zu Endprodukten verarbeitet werden. Stellen Sie ein mathematisches Modell auf, mit dessen Hilfe man berechnen kann, wie das Unternehmen vor der geplanten Produktionsumstellung auf neue Produkte den vorhandenen Lagerbestand r (L) = so zu Endprodukten verarbeiten kann, dass noch ein maximaler Erlös erzielt wird! Dabei ist zu beachten, dass die vorhandenen Rohteile, wenn man sie nicht selbst zu Endprodukten verarbeitet, an einen anderen Produzenten verkauft werden könnten, jedoch nur zu Preisen von 3 e (R 1 ), 1 e (R 2 ) und 2 e (R 3 ) je Stück, d.h. ebenfalls unter den ehemaligen Einkaufspreisen. 7

8 7. Gegeben ist das folgende lineare Optimierungsproblem (Produktionsplanungsproblem, Variable x j sind Prod.-mengen in ME) mit den Restriktionen R1 bis R4: z = 13x 1 + 7x 2 + 8x 3 max x 1 + x 2 + 2x 3 12 (R1) 3x 1 + x 2 + 2x 3 20 (R2) x 1 + 2x 2 + x 3 25 (R3) 4x 1 + x 3 20 (R4) x 1, x 2, x 3 0 Dabei steht die Zielfunktion für den Erlös, ihre Koeffizienten c j sind die Verkaufspreise der Produkte P j in e, z.b. steht c 2 für einen Preis von 6 e bei Produkt P 2. x 3 x 1 x 4 1 Die Restriktionen stehen für beschränkt x verfügbare Rohstoffe [in ME]. x Bei der Lösung des obigen LOP hat sich nach einem oder mehreren Schritten x mit der Simplex-Methode das nebenstehende x Simplextableau ergeben. Dabei sind x 4,..., x 7 die Schlupfvariablen der Restriktionen R1,..., R4. z (a) Bestimmen Sie davon ausgehend alle optimalen Lösungen und den optimalen Zielfunktionswert! (b) Welche Änderungen des Verkaufspreises für Produkt P 3 (Zielfunktionskoeffizient von x 3 ) hätten keinen Einfluss auf die optimale Lösung? (c) In welchem Bereich dürfte sich der Verkaufspreis für Produkt P 1 (Zielfunktionskoeffizient von x 1 ) ändern, ohne dass sich die optimale Lösung ändert? Bliebe in diesem Bereich auch der Zielfunktionswert konstant, falls nicht, wie würde er sich ändern? (d) Ist die Restriktion R3 aktiv oder inaktiv und was bedeutet dies? (e) Von jedem der Rohstoffe könnte zu Preisen von 3.30 e (R1), 3.80 e (R2), 1.50 e (R3) und 2.40 e (R4) (Preise je ME) mehr zur Verfügung gestellt werden. Bei welchen der Rohstoffe wäre dies lohnend? 8

9 Lösungen 1. i eff = % 2. (a) e (b) Monate (c) e 3. (a) streng monoton fallend, konvex, stetig, nicht differenzierbar { p 80 p (b) E(p) = 2, p [50, 70] p 40 p 2, E, p (70, 120] max = e bei p = 90 e/me (c) p 1 = e/me (d) KR = e (bzw. KR = e bei p 1 = 64) { p, p [50, 70] (e) x N (p) = p, p (70, 120] kg 5. (a) r 1 = x 2 = K min = e 6. (a) (b) λ = = Grenzkosten ca e/me (c) G 3 e/100me r = (b) Preisvektor = (c) [e/stück] z = 40e e e 3 +3r 1 +r 2 +2r 3 max 6e 1 + 6e e 3 +r e 1 + 6e e 3 +r e 1 + 2e 2 + 7e 3 +r (a) x opt = (4, 8, 0 0, 0, 5, 4), z max = 108 (b) keine änderungen, solange c 3 14 (c) c 1 = 13 + t = z max = t t [ 6, 8 ] e 1, e 2, e 3, r 1, r 2, r 3 0 (d) R3 nicht aktiv, 5 Einheiten von R3 nicht genutzt. (e) Bei R1 ( 4 = 4 > 3.30) 9