Exponentiële en lineaire groei hebben met name bij wiskunde A en C een
belangrijke rol in de wiskundeprogrammas. In de Centrale Eindexamens
zijn vragen over het bereiken of overschrijden van een bepaalde grenswaarde
bij exponentiële en lineaire groei populair. Juist bij dergelijke
vragen ontstaat er vaak een discussie over de juistheid en volledigheid
van het correctievoorschrift.
In
het Centraal Eindexamen wiskunde C, tweede tijdvak, worden vanaf opgave
14 vragen gesteld over een actueel probleem, te weten de ontwikkeling van de
populatie damherten in de Amsterdamse Waterleidingduinen (AWD). In tekst gaat men
uitgebreid in op de manier waarop de dieren worden geteld. Verder wordt vermeld
dat de telling altijd aan het einde van de winter plaatsvindt. Ook komt het
grillige verloop van de jaarlijkse procentuele groei ter sprake.
Vervolgens wordt gesteld dat de
gemiddelde jaarlijkse groei vanaf 2007
gelijk is aan 15%. In 2007 zijn er in de AWD naar schatting 53 damherten per
km
2. Gevraagd wordt
in welk jaar de als bovengrens beschouwde
dichtheid van 200 damherten per km
2 voor het eerst bereikt zal
worden, uitgaande van een
groei van 15% per jaar.
Niet de bedoeling
Oplossen van een vergelijking als
53·1,15t = 200
geeft
t ≈ 9,5. Gerekend vanaf het einde van de winter
van 2007 kom je dan uit in het begin van de herfst van 2016. Het antwoord op
de vraag "in welk jaar" wordt dan dus
2016. Maar dat was niet de bedoeling.
In het antwoordmodel wordt "
t = 9,5 (of nauwkeuriger)"
meteen gevolgd door "
dus in 2017". Naar aanleiding van de protesten
vermeldt CvTE/Cito dat men daar de groei van de damherten als een discreet
proces ziet. Op het verweer dat de tellingen weliswaar discreet zijn maar de
groei van de populatie dat zeker niet is, antwoordt men het volgende:
"U stelt in uw reactie op onze mail dat de groei niet discreet is en in uw
eerste mail stelt u dat als je aanneemt dat de groei geleidelijk door het
hele jaar plaatsvindt het eindantwoord 2016 juist is. Deze aanname is zeker
niet geldig. In de stam van vraag 17 wordt uitsluitend gesproken over de
gemiddelde jaarlijkse groei. Aan het eind van de winter vinden de tellingen
plaats om zo de aantallen damherten van jaar tot jaar te kunnen vergelijken.
Dit is dus een discreet proces. Het enige juiste antwoord is 2017." |
Discreet of continu
Is een proces discreet of continu? Deze kwestie speelt in allerlei vormen
al vele jaren een rol in de examenopgaven. In de praktijk gaat het vaak niet
zozeer om een fundamenteel verschil tussen discreet en continu maar meer over
de stapgroottes waarmee gewerkt moet worden. In het onderwijs was daar tot voor kort
niet veel aandacht voor, zo lijkt het. Het is te hopen dat dit onderscheid,
ook buiten de statistiek, in de toekomst bij wiskunde A en C wat meer aandacht
zal krijgen.
Duidelijk discreet
In bepaalde contexten is het evident dat dat je alleen met gehele waarden
moet werken. Als het bijvoorbeeld zeker is dat de
begroting voor
onderwijs de komende 10 jaar met 5% per jaar zal stijgen en deze voor 2017
40 miljard euro bedraagt, dan is een voorschrift als
B(t) = 40·1,05t alleen geldig
voor gehele waarden van
t. De vraag voor welk jaar de begroting voor
het eerst meer dan 60 miljard euro zal bedragen, is dan eenduidig en heeft
als enig juiste antwoord "
voor 2026". Immers,
40·1,058 = 59,098... en
40·1,059 = 62,05.... De berekening
40·1,05t = 60 geeft het tussenantwoord
t ≈ 8,31. Dit tussenantwoord moet in dit geval naar
boven worden afgerond; pas 9 jaar na 2017 bedraagt de begroting voor
het eerst meer dan 60 miljard euro. Een antwoord als "
in de loop van
2025" is "not even wrong" want voor niet gehele waarden van
t
heeft het wiskundig model
B(t) = 40·1,05t
geen betekenis.
Duidelijk continu
Het discrete karakter van de context hierboven is duidelijk. Maar nemen we
als context bijvoorbeeld de ontwikkeling van het bevolkingsaantal van een stad,
dan wordt het verhaal ineens heel anders. Dan kunnen we op elk moment van het
jaar namelijk spreken over het aantal inwoners van die stad. Wanneer bekend is dat
een stad op 1 januari 2017 778.943 inwoners heeft en dat aantal inwoners met
5,0% per jaar groeit, dan heeft het wiskundig model
W(t) = 778943·1,05t hier ook betekenis voor gebroken
waarden van
t. Geboorte, sterfte en migratie vindt het hele jaar door plaats. Wanneer mag worden uitgegaan van constante groei gedurende het kalenderjaar kan de formule prima gebruikt worden om een schatting te maken
van de bevolking op bijvoorbeeld 1 juni 2017. Wordt er in dit geval gevraagd
wanneer het bevolkingsaantal voor het eerst de miljoen zal bereiken, dan moet de
berekening
778943·1,05t = 1000000 → t ≈ 5,12
vertaald worden naar een datum ergens in februari 2022. Het antwoord
"
1 januari 2023" is in deze context uitdrukkelijk fout.
De damherten
Dan nu weer terug naar de vraag over de damherten in de AWD. In de eerste
plaats kun je afvragen hoe reëel het is om te werken met een model met een
constante jaarlijkse groei van 15% als bekend is dat die jaarlijks groei
fluctueert van 10% in het ene jaar tot ruim 40% in het volgende jaar. Maar
laten we eens ruimhartig over dit probleem heenstappen.
Uiteraard kun je ook buiten de telperiode spreken over het aantal damherten
in een gebied. Je kunt daar met wat feitenkennis ook uitspraken over doen,
zoals dat dit aantal gedurende het voorjaar sterk zal toenemen en er in de
loop van de herfst en de winter weer een afname te verwachten is. Je kunt ook,
naar analogie van wat de examenmakers hebben gedaan, bij gebrek aan feitelijke
kennis, werken met een geleidelijke groei tussen twee tellingen in.
Kleine moeite
Wat betekent dit nu voor de interpretatie van het de oplossing
t ≈ 9,5 van de vergelijking? Op tijdstip
t ≈ 9,5, dus begin herfst 2016, zijn er volgens
de formule gemiddeld 200 damherten per km
2 in de AWD aanwezig.
Als je rekening houdt met de geboortegolf in de maanden mei tot juli is het
zelfs aannemelijk dat deze grens al eerder in dat jaar werd bereikt werd.
Het zelfs goed denkbaar dat die grens al een of twee jaar eerder aan het begin van de zomer werd bereikt.
Het wordt op die manier allemaal wat ongrijpbaar. Er valt daarom best wat
te zeggen voor het standpunt van CvTE/Cito dat je alleen moet kijken naar
de momenten dat de dieren geteld worden. Maar waarom wordt de vraag dan
niet zo gesteld dat dat volstrekt duidelijk is? De toevoeging "
bij de
telling" was al voldoende geweest.
Een kleine moeite waarmee veel discussie zou zijn voorkomen.
Gerard Koolstra