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 10 Sekunden aufs Festivalgelände kommen?

Lösung einblenden

Den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) 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) ⋅ 2 = 3 ⋅ 2 = 6.

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

I3 (von 6 bis 7): keine Fläche in diesem Abschnitt, also I = 0.

I4 (von 7 bis 10): Dreiecksfläche I4 = (10 - 7) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

Für den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = 6 +3 +0 +3 = 12

Integrale graphisch BF (mit Startwert)

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(
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. Bei Beobachtungsbeginn ist die Lok nach Verlassen des Bahnhofs 42 cm vom Bahnhof entfernt. Wie weit (in cm) ist die Modelleisenbahn nach t=10 Sekunden vom Bahnhof entfernt?

Lösung einblenden

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

I2 (von 2 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 3 2 = 9 2 = 4.5.

I3 (von 5 bis 8): Dreiecksfläche I3 = (8 - 5) ⋅ ( - 1 ) 2 = -3 2 = -1.5.

I4 (von 8 bis 10): Rechtecksfläche I4 = (10 - 8) ⋅ ( - 1 ) = 2 ⋅ ( - 1 ) = -2.

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

Iges = 6 +4.5 -1.5 -2 = 7

Da zu Begin ja bereits 42 cm vorhanden waren, sind es nun nach 10 s
I10 = 42 cm +7 cm = 49 cm .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

Beispiel:

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Im Schaubild sieht man den Graph der Zu- bzw. Abflussrate von Wasser in einen Wassertank (f(t) in l/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Nach 10 Sekunden sind 84 Liter Wasser im Tank. Wie viel Wasser war zu Beginn der Beobachtung (t=0) im Tank?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) 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): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ ( - 3 ) 2 = -9 2 = -4.5.

I2 (von 3 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 3) ⋅ 1 2 = 2 2 = 1.

I3 (von 5 bis 7): Rechtecksfläche I3 = (7 - 5) ⋅ 1 = 2 ⋅ 1 = 2.

I4 (von 7 bis 10): Trapezfläche I4 = (10 - 7) ⋅ 1 + 4 2 = 3 ⋅ 2.5 = 7.5.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = -4.5 +1 +2 +7.5 = 6

Da ja nach 10 Sekunden 84 Liter vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 6 Liter dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 84 Liter - 6 Liter = 78 Liter gewesen sein.

Min. und Maximum bei graph. Integral

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(
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. Bei Beobachtungsbeginn ist die Lok 58 cm vom Bahnhof entfernt. Bestimme die maximale und die minimale Entfernung der Lok vom Bahnhof im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=9 Sekunden.

Lösung einblenden

Im ersten Teil zwischen t=0 und t=2 nimmt der Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) ausschließlich ab, und zwar um:

IAbnahme =

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

Somit nimmt der Bestand bis t=2 um -2 ab.

Weil danach der Bestand wieder ständig zunimmt, ist zum Zeitpunkt t=2 der minimale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) erreicht mit:
Bmin = 58 cm -2 cm = 56 cm.

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

I2 (von 2 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 4 2 = 12 2 = 6.

I3 (von 5 bis 7): Rechtecksfläche I3 = (7 - 5) ⋅ 4 = 2 ⋅ 4 = 8.

I4 (von 7 bis 9): Trapezfläche I4 = (9 - 7) ⋅ 4 + 5 2 = 2 ⋅ 4.5 = 9.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) von Bend = 56 cm +23 cm = 79 cm.

Da dies mehr ist als zu Beginn der Beobachtung (58 cm), ist dies der maximale Bestand(Entfernung der Lok vom Bahnhof):
Bmax = 79 cm