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 7 Sekunden aufs Festivalgelände kommen?

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Den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) 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): Trapezfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 4 + 1 2 = 2 ⋅ 2.5 = 5.

I2 (von 2 bis 4): Rechtecksfläche I2 = (4 - 2) ⋅ 1 = 2 ⋅ 1 = 2.

I3 (von 4 bis 7): Trapezfläche I3 = (7 - 4) ⋅ 1 + 2 2 = 3 ⋅ 1.5 = 4.5.

Für den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 7 gilt somit:

Iges = 5 +2 +4.5 = 11.5

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 46 cm vom Bahnhof entfernt. Wie weit (in cm) ist die Modelleisenbahn nach t=9 Sekunden vom Bahnhof entfernt?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) 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 2): Rechtecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ ( - 4 ) = 2 ⋅ ( - 4 ) = -8.

I2 (von 2 bis 4): Dreiecksfläche I2 = (4 - 2) ⋅ ( - 4 ) 2 = -8 2 = -4.

I3 (von 4 bis 6): Dreiecksfläche I3 = (6 - 4) ⋅ 1 2 = 2 2 = 1.

I4 (von 6 bis 9): Rechtecksfläche I4 = (9 - 6) ⋅ 1 = 3 ⋅ 1 = 3.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = -8 -4 +1 +3 = -8

Da zu Begin ja bereits 46 cm vorhanden waren, sind es nun nach 9 s
I9 = 46 cm -8 cm = 38 cm .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

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. Wie weit (in cm) war die Modelleisenbahn bei Beobachtungsbeginn vom Bahnhof entfernt, wenn sie nach t=9 Sekunden bereits 95 cm vom Bahnhof entfernt war ?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) 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): Dreiecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ ( - 4 ) 2 = -12 2 = -6.

I3 (von 6 bis 9): Rechtecksfläche I3 = (9 - 6) ⋅ ( - 4 ) = 3 ⋅ ( - 4 ) = -12.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = 3 -6 -12 = -15

Da ja nach 9 s 95 cm vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=9 insgesamt -15 cm dazu, also 15 cm weg kam, müssen es zu Beginn
Istart = 95 cm - ( - 15 ) cm = 110 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=9 Minuten.

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

IZunahme =

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 zu.

Weil danach der Bestand wieder ständig abnimmt, ist zum Zeitpunkt t=3 der maximale Bestand (Wasser im Wassertank) erreicht mit:
Bmax = 52 m³ +4.5 m³ = 56.5 m³.

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

I2 (von 3 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 3) ⋅ ( - 4 ) 2 = -8 2 = -4.

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 (Wasser im Wassertank) von Bend = 56.5 m³ -21 m³ = 35.5 m³.

Da dies weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (52 m³), ist dies der minimale Bestand(Wasser im Wassertank):
Bmin = 35.5 m³