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=10 Sekunden gefahren?

Lösung einblenden

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

I2 (von 1 bis 4): Trapezfläche I2 = (4 - 1) ⋅ 2 + 1 2 = 3 ⋅ 1.5 = 4.5.

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

I4 (von 6 bis 8): Dreiecksfläche I4 = (8 - 6) ⋅ 1 2 = 2 2 = 1.

I5 (von 8 bis 10): keine Fläche in diesem Abschnitt, also I = 0.

Für den Zuwachs des Bestands (zurückgelegte Strecke der Modelleisenbahn) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = 2 +4.5 +2 +1 +0 = 9.5

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 31m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 9 Minuten im Tank?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im 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) ⋅ 4 2 = 12 2 = 6.

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 (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = 6 -3 -6 = -3

Da zu Begin ja bereits 31 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 9 min
I9 = 31 m³ -3 m³ = 28 m³ .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

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. Wie weit (in cm) war die Modelleisenbahn bei Beobachtungsbeginn vom Bahnhof entfernt, wenn sie nach t=10 Sekunden bereits 72 cm vom Bahnhof entfernt war ?

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

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

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

I4 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I4 = (8 - 6) ⋅ ( - 1 ) = 2 ⋅ ( - 1 ) = -2.

I5 (von 8 bis 10): Trapezfläche I5 = (10 - 8) ⋅ -1 + ( - 2 ) 2 = 2 ⋅ ( - 1.5 ) = -3.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = 4 +2 -1 -2 -3 = 0

Da ja nach 10 s 72 cm vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 0 cm dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 72 cm - 0 cm = 72 cm gewesen sein.

Min. und Maximum bei graph. Integral

Beispiel:

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Bei einem Festival soll die Ankunftsrate bzw. die Austrittsrate (bei negativen Funktionswerten) der Besucher 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. Zum Zeitpunkt der Öffnung der Eingänge sind bereits 57 Personen auf dem Festivalgelände. Bestimme die maximale und die minimale Anzahl an Personen im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=9 Sekunden.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=5 nimmt der Bestand (Personen auf dem Festivalgelände) ausschließlich zu, und zwar um:

IZunahme =

I1 (von 0 bis 2): Rechtecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 4 = 2 ⋅ 4 = 8.

I2 (von 2 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 4 2 = 12 2 = 6.

Somit nimmt der Bestand bis t=5 um 8 +6 = 14 zu.

Weil danach der Bestand wieder ständig abnimmt, ist zum Zeitpunkt t=5 der maximale Bestand (Personen auf dem Festivalgelände) erreicht mit:
Bmax = 57 Personen +14 Personen = 71 Personen.

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

I3 (von 5 bis 7): Dreiecksfläche I3 = (7 - 5) ⋅ ( - 1 ) 2 = -2 2 = -1.

I4 (von 7 bis 9): Rechtecksfläche I4 = (9 - 7) ⋅ ( - 1 ) = 2 ⋅ ( - 1 ) = -2.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Personen auf dem Festivalgelände) von Bend = 71 Personen -3 Personen = 68 Personen.

Da dies nicht weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (57 Personen), ist der minimale Bestand (Personen auf dem Festivalgelände) der Startwert:
Bmin = 57 Personen