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=7 Sekunden gefahren?

Lösung einblenden

Den Zuwachs des Bestands (zurückgelegte Strecke der Modelleisenbahn) 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 1): Rechtecksfläche I1 = (1 - 0) ⋅ 2 = 1 ⋅ 2 = 2.

I2 (von 1 bis 3): Trapezfläche I2 = (3 - 1) ⋅ 2 + 3 2 = 2 ⋅ 2.5 = 5.

I3 (von 3 bis 5): Rechtecksfläche I3 = (5 - 3) ⋅ 3 = 2 ⋅ 3 = 6.

I4 (von 5 bis 7): Dreiecksfläche I4 = (7 - 5) ⋅ 3 2 = 6 2 = 3.

Für den Zuwachs des Bestands (zurückgelegte Strecke der Modelleisenbahn) zwischen 0 und 7 gilt somit:

Iges = 2 +5 +6 +3 = 16

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

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

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

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

Iges = 4.5 -3 -6 = -4.5

Da zu Begin ja bereits 36 cm vorhanden waren, sind es nun nach 9 s
I9 = 36 cm -4.5 cm = 31.5 cm .

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 73 Personen anwesend sind?

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) ⋅ 3 = 3 ⋅ 3 = 9.

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

I3 (von 5 bis 8): keine Fläche in diesem Abschnitt, also I = 0.

I4 (von 8 bis 10): Dreiecksfläche I4 = (10 - 8) ⋅ 4 2 = 8 2 = 4.

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

Iges = 9 +3 +0 +4 = 16

Da ja nach 10 s 73 Personen vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 16 Personen dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 73 Personen - 16 Personen = 57 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 50 cm vom Bahnhof entfernt. Bestimme die maximale und die minimale Entfernung der Lok vom Bahnhof im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=7 Sekunden.

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

IZunahme =

I1 (von 0 bis 2): Dreiecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 3 2 = 6 2 = 3.

Somit nimmt der Bestand bis t=2 um 3 zu.

Weil danach der Bestand wieder ständig abnimmt, ist zum Zeitpunkt t=2 der maximale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) erreicht mit:
Bmax = 50 cm +3 cm = 53 cm.

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

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

I3 (von 4 bis 7): Rechtecksfläche I3 = (7 - 4) ⋅ ( - 1 ) = 3 ⋅ ( - 1 ) = -3.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) von Bend = 53 cm -4 cm = 49 cm.

Da dies weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (50 cm), ist dies der minimale Bestand(Entfernung der Lok vom Bahnhof):
Bmin = 49 cm