Aufgabenbeispiele von Änderungsrate -> Bestand

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Integrale graphisch BF

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(
Bei einem Festival soll die Ankunftsrate durch die Funktion f näherungsweise beschrieben werden (f(t) in Personen/Sekunde, t in Sekunden nach Öffnung der Eingänge). Im Schaubild sieht man den Graph von f. Wie viele Personen würden nach diesem Modell in den ersten 5 Sekunden aufs Festivalgelände kommen?

Lösung einblenden

Den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 5 können wir durch den orientierten (mit Vorzeichen behafteten) Inhalt der Fläche zwischen dem Graph und der x-Achse ablesen (bzw. berechnen).

Dazu unterteilen wir die Fläche in Rechtecke, Parallelogrammen und ggf. Dreiecke:

I1 (von 0 bis 2): Rechtecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 2 = 2 ⋅ 2 = 4.

I2 (von 2 bis 5): Trapezfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 2 + 6 2 = 3 ⋅ 4 = 12.

Für den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 5 gilt somit:

Iges = 4 +12 = 16

Integrale graphisch BF (mit Startwert)

Beispiel:

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Im Schaubild sieht man den Graph der Zu- bzw. Abflussrate von Wasser in einen Wassertank (f(t) in m³/min, t in Minuten nach Beobachtungsbeginn). Zu Beginn der Beobachtung (t=0) sind 56m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 7 Minuten im Tank?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 7 können wir durch den orientierten (mit Vorzeichen behafteten) Inhalt der Fläche zwischen dem Graph und der x-Achse ablesen (bzw. berechnen).

Dazu unterteilen wir die Fläche in Rechtecke, Parallelogrammen und ggf. Dreiecke:

I1 (von 0 bis 2): Rechtecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 3 = 2 ⋅ 3 = 6.

I2 (von 2 bis 4): Dreiecksfläche I2 = (4 - 2) ⋅ 3 2 = 6 2 = 3.

I3 (von 4 bis 7): Dreiecksfläche I3 = (7 - 4) ⋅ ( - 2 ) 2 = -6 2 = -3.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 7 gilt somit:

Iges = 6 +3 -3 = 6

Da zu Begin ja bereits 56 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 7 min
I7 = 56 m³ +6 m³ = 62 m³ .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

Beispiel:

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Im Schaubild sieht man den Graph der Geschwindigkeit einer Modelleisenbahn (f(t) in cm/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Negative Geschwindigkeiten bedeuten, dass die Lok rückwärts fährt. Wie weit (in cm) war die Modelleisenbahn bei Beobachtungsbeginn vom Bahnhof entfernt, wenn sie nach t=10 Sekunden bereits 90 cm vom Bahnhof entfernt war ?

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Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 10 können wir durch den orientierten (mit Vorzeichen behafteten) Inhalt der Fläche zwischen dem Graph und der x-Achse ablesen (bzw. berechnen).

Dazu unterteilen wir die Fläche in Rechtecke, Parallelogrammen und ggf. Dreiecke:

I1 (von 0 bis 3): Rechtecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 4 = 3 ⋅ 4 = 12.

I2 (von 3 bis 6): Dreiecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 4 2 = 12 2 = 6.

I3 (von 6 bis 8): Dreiecksfläche I3 = (8 - 6) ⋅ ( - 2 ) 2 = -4 2 = -2.

I4 (von 8 bis 10): Rechtecksfläche I4 = (10 - 8) ⋅ ( - 2 ) = 2 ⋅ ( - 2 ) = -4.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = 12 +6 -2 -4 = 12

Da ja nach 10 s 90 cm vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 12 cm dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 90 cm - 12 cm = 78 cm gewesen sein.

Min. und Maximum bei graph. Integral

Beispiel:

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Im Schaubild sieht man den Graph der Zu- bzw. Abflussrate von Wasser in einen Wassertank (f(t) in m³/min, t in Minuten nach Beobachtungsbeginn). Zu Beginn der Beobachtung (t=0) sind 52m³ Wasser im Tank. Bestimme die maximale und die minimale Wassermenge im Tank im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=8 Minuten.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=3 nimmt der Bestand (Wasser im Wassertank) ausschließlich ab, und zwar um:

IAbnahme =

I1 (von 0 bis 3): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ ( - 2 ) 2 = -6 2 = -3.

Somit nimmt der Bestand bis t=3 um -3 ab.

Weil danach der Bestand wieder ständig zunimmt, ist zum Zeitpunkt t=3 der minimale Bestand (Wasser im Wassertank) erreicht mit:
Bmin = 52 m³ -3 m³ = 49 m³.

Die anschließende Zunahme lässt sich wieder über die Dreiecks-, Rechtecks- bzw. Trapezflächen berechnnen:

I2 (von 3 bis 6): Dreiecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

I3 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I3 = (8 - 6) ⋅ 2 = 2 ⋅ 2 = 4.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Wasser im Wassertank) von Bend = 49 m³ +7 m³ = 56 m³.

Da dies mehr ist als zu Beginn der Beobachtung (52 m³), ist dies der maximale Bestand(Wasser im Wassertank):
Bmax = 56 m³