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?

Lösung einblenden

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 2): Rechtecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 3 = 2 ⋅ 3 = 6.

I2 (von 2 bis 4): Trapezfläche I2 = (4 - 2) ⋅ 3 + 4 2 = 2 ⋅ 3.5 = 7.

I3 (von 4 bis 5): Rechtecksfläche I3 = (5 - 4) ⋅ 4 = 1 ⋅ 4 = 4.

I4 (von 5 bis 8): Trapezfläche I4 = (8 - 5) ⋅ 4 + 5 2 = 3 ⋅ 4.5 = 13.5.

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

Iges = 6 +7 +4 +13.5 = 30.5

Integrale graphisch BF (mit Startwert)

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. Zum Zeitpunkt der Öffnung der Eingänge sind bereits 52 Personen auf dem Festivalgelände. Wie viele Personen würden nach diesem Modell nach 6 Sekunden auf dem Festivalgelände sein?

Lösung einblenden

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): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 1 2 = 3 2 = 1.5.

I2 (von 3 bis 4): Rechtecksfläche I2 = (4 - 3) ⋅ 1 = 1 ⋅ 1 = 1.

I3 (von 4 bis 6): Trapezfläche I3 = (6 - 4) ⋅ 1 + 2 2 = 2 ⋅ 1.5 = 3.

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

Iges = 1.5 +1 +3 = 5.5

Da zu Begin ja bereits 52 Personen vorhanden waren, sind es nun nach 6 s
I6 = 52 Personen +5.5 Personen = 57.5 Personen .

Integrale graphisch BF (mit Endwert)

Beispiel:

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Im Schaubild sieht man den Graph der Geschwindigkeit einer Modelleisenbahn, die aus dem Bahnhof ausfährt (f(t) in cm/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Negative Geschwindigkeiten bedeuten, dass die Lok rückwärts fährt, also wieder Richtung Bahnhof. Wie weit (in cm) war die Modelleisenbahn bei Beobachtungsbeginn vom Bahnhof entfernt, wenn sie nach t=5 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 5 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.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Entfernung der Lok vom Bahnhof) zwischen 0 und 5 gilt somit:

Iges = -6 -4.5 = -10.5

Da ja nach 5 s 72 cm vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=5 insgesamt -10.5 cm dazu, also 10.5 cm weg kam, müssen es zu Beginn
Istart = 72 cm - ( - 10.5 ) cm = 82.5 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 42m³ Wasser im Tank. Bestimme die maximale und die minimale Wassermenge im Tank im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=10 Minuten.

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Im ersten Teil zwischen t=0 und t=2 nimmt der Bestand (Wasser im Wassertank) 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 (Wasser im Wassertank) erreicht mit:
Bmax = 42 m³ +3 m³ = 45 m³.

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

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

I3 (von 5 bis 7): Rechtecksfläche I3 = (7 - 5) ⋅ ( - 4 ) = 2 ⋅ ( - 4 ) = -8.

I4 (von 7 bis 10): Trapezfläche I4 = (10 - 7) ⋅ -4 + ( - 5 ) 2 = 3 ⋅ ( - 4.5 ) = -13.5.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Wasser im Wassertank) von Bend = 45 m³ -27.5 m³ = 17.5 m³.

Da dies weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (42 m³), ist dies der minimale Bestand(Wasser im Wassertank):
Bmin = 17.5 m³