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 10 Sekunden aufs Festivalgelände kommen?

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 2): Trapezfläche I1 = (2 - 0) ⋅ 4 + 2 2 = 2 ⋅ 3 = 6.

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

I3 (von 4 bis 5): Trapezfläche I3 = (5 - 4) ⋅ 2 + 6 2 = 1 ⋅ 4 = 4.

I4 (von 5 bis 7): Rechtecksfläche I4 = (7 - 5) ⋅ 6 = 2 ⋅ 6 = 12.

I5 (von 7 bis 10): Trapezfläche I5 = (10 - 7) ⋅ 6 + 4 2 = 3 ⋅ 5 = 15.

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

Iges = 6 +4 +4 +12 +15 = 41

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 45m³ Wasser im Tank. Wie viel Wasser ist nach 6 Minuten 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) ⋅ 2 2 = 6 2 = 3.

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 = 3 -1.5 = 1.5

Da zu Begin ja bereits 45 m³ vorhanden waren, sind es nun nach 6 min
I6 = 45 m³ +1.5 m³ = 46.5 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 10 Sekunden sind 53 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 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): Dreiecksfläche I1 = (2 - 0) ⋅ ( - 2 ) 2 = -4 2 = -2.

I2 (von 2 bis 5): Dreiecksfläche I2 = (5 - 2) ⋅ 1 2 = 3 2 = 1.5.

I3 (von 5 bis 8): Rechtecksfläche I3 = (8 - 5) ⋅ 1 = 3 ⋅ 1 = 3.

I4 (von 8 bis 10): Trapezfläche I4 = (10 - 8) ⋅ 1 + 3 2 = 2 ⋅ 2 = 4.

Für den Zuwachs (bzw. die Abnahme) des Bestands (Wasser im Wassertank) zwischen 0 und 10 gilt somit:

Iges = -2 +1.5 +3 +4 = 6.5

Da ja nach 10 Sekunden 53 Liter vorhanden sind, und zwischen t=0 und t=10 insgesamt 6.5 Liter dazu kam, müssen es zu Beginn
Istart = 53 Liter - 6.5 Liter = 46.5 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 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 52m³ Wasser im Tank. Bestimme die maximale und die minimale Wassermenge im Tank im abgebildeten Zeitraum zwischen t=0 und t=8 Minuten.

Lösung einblenden

Im ersten Teil zwischen t=0 und t=5 nimmt der Bestand (Wasser im Wassertank) 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 (Wasser im Wassertank) erreicht mit:
Bmax = 52 m³ +14 m³ = 66 m³.

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

I3 (von 5 bis 8): Dreiecksfläche I3 = (8 - 5) ⋅ ( - 3 ) 2 = -9 2 = -4.5.

Damit ergibt sich am Ende des Beobachtungszeitraums ein Bestand (Wasser im Wassertank) von Bend = 66 m³ -4.5 m³ = 61.5 m³.

Da dies nicht weniger ist als zu Beginn der Beobachtung (52 m³), ist der minimale Bestand (Wasser im Wassertank) der Startwert:
Bmin = 52 m³