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 Zuflussrate von Wasser in einen Wassertank (f(t) in m³/min, t in Minuten nach Beobachtungsbeginn). Wie viel Wasser ist in den ersten 9 Minuten in den Tank hinein geflossen?

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Den Zuwachs des Bestands (Wasser in einen Wassertank) 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): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

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

I3 (von 6 bis 9): Dreiecksfläche I3 = (9 - 6) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

Für den Zuwachs des Bestands (Wasser in einen Wassertank) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = 3 +6 +3 = 12

Integrale graphisch BF (mit Startwert)

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. Bei Beobachtungsbeginn ist die Lok nach Verlassen des Bahnhofs 63 cm vom Bahnhof entfernt. Wie weit (in cm) ist die Modelleisenbahn nach t=7 Sekunden vom Bahnhof entfernt?

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Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) 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 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ ( - 3 ) 2 = -9 2 = -4.5.

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

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 7 gilt somit:

Iges = -6 -4.5 +2 = -8.5

Da zu Begin ja bereits 63 cm vorhanden waren, sind es nun nach 7 s
I7 = 63 cm -8.5 cm = 54.5 cm .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

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 wären nach diesem Modell bereits zum Zeitpunkt der Öffnung der Eingänge auf dem Festivalgelände gewesen, wenn nach 10 Sekunden 85 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 2): Trapezfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 3 + 6 2 = 2 ⋅ 4.5 = 9.

I2 (von 2 bis 5): Rechtecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 6 = 3 ⋅ 6 = 18.

I3 (von 5 bis 6): Trapezfläche I3 = (6 - 5) ⋅ 6 + 5 2 = 1 ⋅ 5.5 = 5.5.

I4 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I4 = (8 - 6) ⋅ 5 = 2 ⋅ 5 = 10.

I5 (von 8 bis 10): Trapezfläche I5 = (10 - 8) ⋅ 5 + 1 2 = 2 ⋅ 3 = 6.

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

Iges = 9 +18 +5.5 +10 +6 = 48.5

Da ja nach 10 s 85 Personen vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 48.5 Personen dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 85 Personen - 48.5 Personen = 36.5 Personen 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 54 cm vom Bahnhof entfernt. Bestimme die maximale und die minimale Entfernung der Lok vom Bahnhof im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=8 Sekunden.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=3 nimmt der Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) ausschließlich ab, und zwar um:

IAbnahme =

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

Somit nimmt der Bestand bis t=3 um -4.5 ab.

Weil danach der Bestand wieder ständig zunimmt, ist zum Zeitpunkt t=3 der minimale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) erreicht mit:
Bmin = 54 cm -4.5 cm = 49.5 cm.

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

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

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

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) von Bend = 49.5 cm +14 cm = 63.5 cm.

Da dies mehr ist als zu Beginn der Beobachtung (54 cm), ist dies der maximale Bestand(Entfernung der Lok vom Bahnhof):
Bmax = 63.5 cm