Het wiskunde A-examen vwo van dit jaar bevatte twee opgaven
waarbij uitdrukkelijk het gebruik van de grafische rekenmachine wordt
voorgeschreven. Een van die opgaven gaat over de zogenaamde
Shannon-index. In die opgave moeten de kandidaten met hun
grafische rekenmachine een limietwaarde benaderen.
In de opgave over de
Shannon-index wordt de volgende formule
gegeven:
In deze formule is
p het aandeel eiken in een bos dat
bestaat uit eiken en beuken. Gevraagd werd om
met de grafische
rekenmachine te onderzoeken tot welke waarde
H nadert als
het aandeel eiken in het bos steeds kleiner wordt.
Onderzoeken
Onderzoeken is een precies omschreven examenwerkwoord. In een
bijlage bij de syllabus wiskunde A VWO 2018 staat uitdrukkelijk
"De
aanpak is vrij, een toelichting is vereist". Alleen bij wiskunde B
kan de toevoeging 'algebraïsch' of 'exact' beperkingen opleggen.
Strikt genomen is de voorgeschreven beperking tegenstrijdig want
"De aanpak is vrij". De achterliggende gedachten is vermoedelijk
dat de examenmakers wilden voorkomen dat examinatoren het gevaar zouden
lopen om allerlei hele of halve redeneringen van leerlingen te moeten
beoordelen.
Vermomde limiet
Een wiskundedocent herkent in de formulering natuurlijk een wat
populaire vertaling van de opdracht om deze limiet te bepalen:
Ook zonder kennis van en ervaring met limieten is het niet lastig om
in te zien dat als
p naar nul daalt, het rechter deel van de
formule ook tot nul nadert. Het venijn zit hem aan het begin. Het
aantonen dat
p·ln(
p) ook tot nul nadert, is geen
sinecure. Het resultaat hanteren we vervolgens graag als standaardlimiet.
Limieten zijn, zoals bekend, geen onderdeel van het wiskunde A-programma
en het is dan ook redelijk om van de kandidaat een andere aanpak te
verwachten.
Plotten en zoomen
Het ligt voor een wiskunde A-kandidaat het meest voor de hand
om de grafische rekenmachine de kromme te laten tekenen die hoort
bij de gegeven formule. Die actie zal een grafiek opleveren zoals
rechts is afgebeeld. Maar wat weet je dan? De grafiek lijkt te
beginnen in, of althans nabij, de oorsprong. Maar hoe kun je hier
meer zekerheid over krijgen? Je kunt natuurlijk op de kromme
inzoomen maar dat gaat bij een grafische rekenmachine lang niet
altijd goed.
De kandidaat wiskunde A vwo wordt geacht, gebruik te kunnen maken
van
geschikte ICT-middelen bij het verkennen van wiskundige
situaties. Een grafische rekenmachine is bij het bepalen van limieten
echter niet altijd een betrouwbaar middel. Dat wordt bijvoorbeeld
duidelijk wanneer je
y = -xk·ln(x)
plot met bijvoorbeeld
k = 1/2
of
k = 1/5. Bij inzoomen
lijkt het er op een gegeven moment op dat er plotseling een stukje
ontbreekt tussen de oorsprong en het begin van de grafiek. Als je
blindelings vertrouwt op je grafische rekenmachine dan krijg je de
indruk dat de waarde van
y nadert tot een getal net boven
nul als
x nadert naar nul.`
Nog duidelijker worden de beperkingen
van de grafische rekenmachine wellicht wanneer je
y = ln(ln(1/x)) plot. De
waarde verschilt met de diepte waarop je inzoomt. De suggestie dat
als
x steeds dichter bij 0 komt,
y naar een getal onder
de 10 nadert, is even manifest als misleidend.
Tabel
Terug naar de examenopgave. Je kunt de limiet in kwestie natuurlijk
ook met de tabeloptie van de grafische rekenmachine bestuderen. Als
we, startend bij
p = 10-6, met stapjes van
10-8 richting de nul gaan, dan geeft dat
een reeks uitkomsten voor
H waarvan de laatste en laagste)
gelijk is aan
1,9×10-7 is. Dat lijkt
aardig richting de nul te gaan. Maar ja, hoever moet je hierbij gaan?
Als we de waarde van
p vanuit
p = 10-6
steeds een factor 10 kleiner maken en we gaan daarmee door tot
10-99, de grens van de meeste rekenmachines,
dan komen we op een uitkomst van ongeveer
2,8×10-97.
Continu of disreet?
Als we even uitgaan van een enorm bos van exact een miljard bomen, wat
veel meer is dan het totaal aantal bomen in Nederland, dan is
p
een discrete waarde die met stapjes van
10-9
kan veranderen. Dat betekent ook dat er boven de nulwaarde een kleinste
waarde bestaat voor
p, namelijk
10-9.
Omdat
H voor
p=0 niet is gedefinieerd, levert
invullen van
p=10-9 in zekere zin de uiterste
waarde voor
H op. Die waarde is in dit voorbeeld ongeveer gelijk
aan
2,2×10-8. Bij een bos met honderdduizend
bomen is de laagst mogelijke waarde van
H gelijk aan ongeveer
0,000125. Mag je daar zomaar nul van maken?
Aanvullende eisen
Er zijn voor een wiskunde A-kandidaat verschillende manieren om de
opgave aan te pakken. Elke manier heeft zo zijn haken en ogen. In
het correctievoorschrift worden twee alternatieven uitgewerkt die
aansluiten bij een meer grafische en een meer rekenkundige aanpak.
Opvallend is echter dat er in het correctievoorschrift aanvullende
eisen worden gesteld die niet op het opgaveblad zijn terug te vinden
en ook niet genoemd worden in de syllabus.
Bij de
grafische aanpak moet de kandidaat de formule in de
grafische rekenmachine invullen en een
schets maken. Vervolgens
moet de kandidaat opmerken dat
p nadert tot 0 als het aandeel
eiken steeds kleiner wordt. Op grond van de schets zou dan geconcludeerd
moeten worden dat
H dan ook tot 0 nadert. Bij de meer rekenkundige
aanpak moeten volgens het beoordelingsmodel
ten minste drie waarden
van
p worden doorgerekend die allemaal kleiner of gelijk zijn aan
0,5. Ook na uitdrukkelijke vragen op de centrale examenbespreking hield
het CvTE vast aan dat minimum van drie. Dat betekent in de praktijk dat
een leerling die bijvoorbeeld alleen
p=0,001 en
p=0,0001 heeft ingevuld, twee punten minder krijgt
dan iemand die
p=0,3,
p=0,4 en
p=0,5 heeft ingevuld. Daar valt in principe niet aan
te tornen want het gaat hier om een onderdeel van een
algemeen
verbindend voorschrift waarvan niet afgeweken mag worden.
Uit correspondentie met het CvTE blijkt uiteindelijk dat er toch wat
ruimte bestaat voor een zelfstandige, professionele beoordeling door de
examinator. Het lijkt er echter op dat die ruimte actief veroverd moet
worden.
Geschikte vraag?
Problemen met het beoordelingsmodel hebben vaak te maken met problemen
in de vraagstelling. Bieden de vraag en de context de kandidaat wel
voldoende aanknopingspunten om de vraag conform het correctievoorschrift
aan te pakken? Voor de 'limietvraag' denk ik dat dat niet zo is. De
'gereedschapskist' van de wiskunde A-kandidaat is voor de aanpak van
die vraag onvoldoende gevuld.
Sterker nog, ik denk dat de 'limietvraag' helemaal niet geschikt is als
examenopgave. Het is een prima opgave om als uitdaging eens uitgebreid
met leerlingen te bespreken. In het kader van een wiskundige denkactiviteit
lijkt het mij heel leerzaam om de leerlingen uit te dagen, elkaars argumenten
onderuit te halen.
Als examenopgave vind ik de 'limietvraag' echter een ongelukkige keuze.
gk