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 :(
Im Schaubild sieht man den Graph der Geschwindigkeit einer Modelleisenbahn (f(t) in cm/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Wie weit (in cm) ist die Modelleisenbahn zwischen t=0 Sekunden und t=9 Sekunden gefahren?

Lösung einblenden

Den Zuwachs des Bestands (zurückgelegte Strecke der Modelleisenbahn) zwischen 0 und 9 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): Trapezfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 2 + 4 2 = 3 ⋅ 3 = 9.

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

I3 (von 6 bis 8): Trapezfläche I3 = (8 - 6) ⋅ 4 + 5 2 = 2 ⋅ 4.5 = 9.

I4 (von 8 bis 9): Rechtecksfläche I4 = (9 - 8) ⋅ 5 = 1 ⋅ 5 = 5.

Für den Zuwachs des Bestands (zurückgelegte Strecke der Modelleisenbahn) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = 9 +12 +9 +5 = 35

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 37m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 8 Minuten im Tank?

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Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 8 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) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

I2 (von 3 bis 6): Dreiecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ ( - 1 ) 2 = -3 2 = -1.5.

I3 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I3 = (8 - 6) ⋅ ( - 1 ) = 2 ⋅ ( - 1 ) = -2.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 8 gilt somit:

Iges = 3 -1.5 -2 = -0.5

Da zu Begin ja bereits 37 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 8 min
I8 = 37 m³ -0.5 m³ = 36.5 m³ .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

Beispiel:

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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 wären nach diesem Modell bereits zum Zeitpunkt der Öffnung der Eingänge auf dem Festivalgelände gewesen, wenn nach 10 Sekunden 62 Personen anwesend sind?

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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): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 3 2 = 9 2 = 4.5.

I2 (von 3 bis 6): Rechtecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 3 = 3 ⋅ 3 = 9.

I3 (von 6 bis 7): Trapezfläche I3 = (7 - 6) ⋅ 3 + 1 2 = 1 ⋅ 2 = 2.

I4 (von 7 bis 10): Rechtecksfläche I4 = (10 - 7) ⋅ 1 = 3 ⋅ 1 = 3.

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

Iges = 4.5 +9 +2 +3 = 18.5

Da ja nach 10 s 62 Personen vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 18.5 Personen dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 62 Personen - 18.5 Personen = 43.5 Personen 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 33m³ Wasser im Tank. Bestimme die maximale und die minimale Wassermenge im Tank im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=10 Minuten.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=4 nimmt der Bestand (Wasser im Wassertank) ausschließlich ab, und zwar um:

IAbnahme =

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.

Somit nimmt der Bestand bis t=4 um -6 -3 = -9 ab.

Weil danach der Bestand wieder ständig zunimmt, ist zum Zeitpunkt t=4 der minimale Bestand (Wasser im Wassertank) erreicht mit:
Bmin = 33 m³ -9 m³ = 24 m³.

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

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

I4 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I4 = (8 - 6) ⋅ 4 = 2 ⋅ 4 = 8.

I5 (von 8 bis 10): Trapezfläche I5 = (10 - 8) ⋅ 4 + 2 2 = 2 ⋅ 3 = 6.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Wasser im Wassertank) von Bend = 24 m³ +18 m³ = 42 m³.

Da dies mehr ist als zu Beginn der Beobachtung (33 m³), ist dies der maximale Bestand(Wasser im Wassertank):
Bmax = 42 m³