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 9 Sekunden aufs Festivalgelände kommen?(Auch wenn es in der Realität natürlich keinen Sinn macht, soll hier der genaue ungerundete Wert eingegeben werden)

Lösung einblenden

Den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) 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): Rechtecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ 3 = 3 ⋅ 3 = 9.

I2 (von 3 bis 6): Trapezfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 3 + 4 2 = 3 ⋅ 3.5 = 10.5.

I3 (von 6 bis 8): Rechtecksfläche I3 = (8 - 6) ⋅ 4 = 2 ⋅ 4 = 8.

I4 (von 8 bis 9): Trapezfläche I4 = (9 - 8) ⋅ 4 + 2 2 = 1 ⋅ 3 = 3.

Für den Zuwachs des Bestands (Personen auf dem Festivalgelände) zwischen 0 und 9 gilt somit:

Iges = 9 +10.5 +8 +3 = 30.5

Integrale graphisch BF (mit Startwert)

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 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 44m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 5 Minuten im Tank?

Lösung einblenden

Den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) 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 3): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ ( - 4 ) 2 = -12 2 = -6.

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

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 5 gilt somit:

Iges = -6 +3 = -3

Da zu Begin ja bereits 44 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 5 min
I5 = 44 m³ -3 m³ = 41 m³ .

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 Zu- bzw. Abflussrate von Wasser in einen Wassertank (f(t) in l/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Nach 6 Sekunden sind 66 Liter Wasser im Tank. Wie viel Wasser war zu Beginn der Beobachtung (t=0) im Tank?

Lösung einblenden

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 3): Dreiecksfläche I1 = (3 - 0) ⋅ ( - 4 ) 2 = -12 2 = -6.

I2 (von 3 bis 6): Dreiecksfläche I2 = (6 - 3) ⋅ 1 2 = 3 2 = 1.5.

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

Iges = -6 +1.5 = -4.5

Da ja nach 6 Sekunden 66 Liter vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=6 insgesamt -4.5 Liter dazu, also 4.5 Liter weg kam, müssen es zu Beginn
Istart = 66 Liter - ( - 4.5 ) Liter = 70.5 Liter gewesen sein.

Min. und Maximum bei graph. Integral

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, 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 zurück. Bei Beobachtungsbeginn ist die Lok 58 cm vom Bahnhof entfernt. Bestimme die maximale und die minimale Entfernung der Lok vom Bahnhof im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=9 Sekunden.

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

IAbnahme =

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

Somit nimmt der Bestand bis t=2 um -3 ab.

Weil danach der Bestand wieder ständig zunimmt, ist zum Zeitpunkt t=2 der minimale Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) erreicht mit:
Bmin = 58 cm -3 cm = 55 cm.

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

I2 (von 2 bis 4): Dreiecksfläche I2 = (4 - 2) ⋅ 3 2 = 6 2 = 3.

I3 (von 4 bis 6): Rechtecksfläche I3 = (6 - 4) ⋅ 3 = 2 ⋅ 3 = 6.

I4 (von 6 bis 9): Trapezfläche I4 = (9 - 6) ⋅ 3 + 1 2 = 3 ⋅ 2 = 6.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Entfernung der Lok vom Bahnhof) von Bend = 55 cm +15 cm = 70 cm.

Da dies mehr ist als zu Beginn der Beobachtung (58 cm), ist dies der maximale Bestand(Entfernung der Lok vom Bahnhof):
Bmax = 70 cm