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 8 Minuten in den Tank hinein geflossen?

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Den Zuwachs des Bestands (Wasser in einen 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 5): Rechtecksfläche I2 = (5 - 3) ⋅ 2 = 2 ⋅ 2 = 4.

I3 (von 5 bis 8): Trapezfläche I3 = (8 - 5) ⋅ 2 + 5 2 = 3 ⋅ 3.5 = 10.5.

Für den Zuwachs des Bestands (Wasser in einen Wassertank) zwischen 0 und 8 gilt somit:

Iges = 3 +4 +10.5 = 17.5

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 26m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 6 Minuten im Tank?

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Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 6 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): Dreiecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ ( - 3 ) 2 = -6 2 = -3.

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

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

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 6 gilt somit:

Iges = -3 +1 +2 = 0

Da zu Begin ja bereits 26 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 6 min
I6 = 26 m³ +0 m³ = 26 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 6 Sekunden 61 Personen anwesend sind?

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Den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 6 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 + 5 2 = 3 ⋅ 3.5 = 10.5.

I2 (von 3 bis 6): Rechtecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 5 = 3 ⋅ 5 = 15.

Für den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 6 gilt somit:

Iges = 10.5 +15 = 25.5

Da ja nach 6 s 61 Personen vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=6 insgesamt 25.5 Personen dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 61 Personen - 25.5 Personen = 35.5 Personen gewesen sein.

Min. und Maximum bei graph. Integral

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 61 cm vom Bahnhof entfernt. Bestimme die maximale und die minimale Entfernung der Lok vom Bahnhof im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=6 Sekunden.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=6 nimmt der Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) ausschließlich zu, und zwar um:

IZunahme =

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.

Somit nimmt der Bestand bis t=6 um 6 +3 = 9 zu.

Weil danach der Bestand wieder ständig abnimmt, ist zum Zeitpunkt t=6 der maximale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) erreicht mit:
Bmax = 61 cm +9 cm = 70 cm.

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

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) von Bend = 70 cm +0 cm = 70 cm.

Da dies nicht weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (61 cm), ist der minimale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) der Startwert:
Bmin = 61 cm