ABI - Bestand aus Änderungsraten rekonstruieren
ABI - Bestand aus Änderungsraten rekonstruieren
Mini-Beschreibung: Bestimme Bestandsänderungen aus einem Änderungsratengraphen und rekonstruiere einen Bestand aus Anfangswert und Integral. Du arbeitest mit Zu- und Abfluss-, Geschwindigkeits- und Produktionsmodellen und interpretierst die Einheiten konsequent.

Einleitung
Eine Änderungsrate sagt Dir, wie schnell sich ein Bestand verändert. Das Integral sammelt diese Änderungen auf. Kennst Du zusätzlich einen Anfangswert, kannst Du den Bestand rekonstruieren.
Der zentrale Zusammenhang lautet:
Dabei ist der Bestand und die Änderungsrate.
Merke: Das Integral der Änderungsrate liefert zunächst die Bestandsänderung. Erst durch den Anfangswert erhältst Du den tatsächlichen Bestand.

Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- Änderungsrate: aus einem Graphen positive und negative Bestandsänderungen bestimmen.
- Bestimmtes Integral: ein Integral als orientierte Bestandsänderung deuten.
- Bestandsfunktion: einen Bestand aus Anfangswert und Änderungsrate rekonstruieren.
- Einheiten: aus Rate mal Zeit die passende Bestandseinheit ableiten.
- Modellieren: Zu-/Abfluss, Bewegung und Produktion mit derselben Grundidee beschreiben.
- Basisfach: Verfahren verständig anwenden und anschaulich begründen.
- Leistungsfach: Rekonstruktionen formalisieren, begründen und Modelle kritisch prüfen.
Vorwissen-Check
Prüfe vor dem Start, ob Du diese drei Fragen beantworten kannst.
1. Was bedeutet ?
Kontrolle: Die zugehörige Funktion wächst an dieser Stelle.
2. Welche Einheit hat eine Rate von 8 Litern pro Minute nach der Integration über Minuten?
Kontrolle: Liter.
3. Was unterscheidet Flächeninhalt und orientierte Fläche?
Kontrolle: Bereiche unterhalb der Achse zählen beim bestimmten Integral negativ.
Grundidee: Rate sammeln, Bestand erhalten

Die Animation zeigt die Grundidee der Aufsummierung kleiner Beiträge. Für ein kurzes Zeitstück gilt näherungsweise:
Viele kleine Änderungen ergeben zusammen:
Die Einheit bestätigt die Bedeutung. Beispiel:
Einheiten-Check: Wenn das Ergebnis noch die Einheit einer Rate besitzt, ist die Integration oder die Interpretation nicht abgeschlossen.
Orientierte Flächen statt bloßer Flächeninhalte

Für eine Änderungsrate gilt:
- Liegt der Graph über der Zeitachse, ist der Integralbeitrag positiv.
- Liegt der Graph unter der Zeitachse, ist der Integralbeitrag negativ.
- Positive und negative Beiträge können sich gegenseitig aufheben.
Das bestimmte Integral beschreibt deshalb eine Bilanz.
Wichtig: Bei einer Geschwindigkeit ist die Ortsänderung. Für die tatsächlich zurückgelegte Weglänge muss bei Vorzeichenwechseln von abschnittsweise mit Beträgen gearbeitet werden.
Visueller Rechenweg aus einem Änderungsratengraphen
Ein Tank enthält zu Beginn m³ Wasser. Die Nettoänderungsrate wird graphisch durch drei lineare Abschnitte beschrieben:
- Von Stunde 0 bis 2: konstant m³/h.
- Von Stunde 2 bis 4: linear von m³/h auf m³/h.
- Von Stunde 4 bis 5: konstant m³/h.
Gesucht: Bestand nach 5 Stunden.
Schritt 1 – Rechteck von 0 bis 2:
m³
Schritt 2 – Trapez von 2 bis 4:
m³
Schritt 3 – negativer Rechteckbeitrag von 4 bis 5:
m³
Schritt 4 – Bilanz:
m³
m³
Feedback: Wer nur m³ nennt, hat die Bestandsänderung berechnet, aber den Anfangsbestand noch nicht addiert.
Das allgemeine Rekonstruktionsschema
| Schritt | Mathematische Handlung |
|---|---|
| 1 | Rate erkennen: |
| 2 | Intervall festlegen: |
| 3 | Änderung bestimmen: |
| 4 | Anfangswert addieren: |
| 5 | Einheit und Vorzeichen prüfen |
Modell 1: Zu- und Abfluss
Bei getrenntem Zufluss und Abfluss ist die Nettoänderungsrate
und damit
Interpretation:
Wenn , wächst der Bestand. Wenn , sinkt er. Bei ist die momentane Bestandsänderung null.
Übung: Ein Speicher enthält 120 m³. Über 30 Minuten beträgt der konstante Zufluss 5 m³/min und der Abfluss 3 m³/min. Bestimme den Endbestand.
Hilfe: Bestimme zuerst die Nettoänderungsrate.
Lösung und Feedback:
m³/min
m³
m³
Die Einheit m³/min mal min ergibt m³.
Modell 2: Geschwindigkeit und Ort

Bei einer Bewegung gilt:
also
Ein Modell sei
für , wobei in m/s und in s gemessen wird. Der Startort sei m.
Schritt-für-Schritt:
Eine Stammfunktion ist
Damit:
m
Modell 3: Produktion und Lagerbestand
Eine Netto-Produktionsrate sei
in Stück pro Stunde. Zu Beginn liegen 50 Stück im Lager.
Nach 8 Stunden gilt:
Stück.
Die Rate wird bei
also bei
null. Vorher wächst der Bestand, danach sinkt er. Deshalb liegt dort innerhalb des betrachteten Intervalls ein Bestandsmaximum.
Basisfach: Begründe das Maximum über das Vorzeichen der Änderungsrate.
Leistungsfach: Formuliere die Argumentation mit Monotonie und untersuche zusätzlich die Modellgrenzen: Kann eine negative Netto-Produktionsrate sachlich als Auslieferungsüberschuss interpretiert werden?
Integralfunktion und Hauptsatz
Die Integralfunktion zu mit unterer Grenze ist
Für stetiges gilt:
Damit ist
eine Funktion mit
und dem gewünschten Anfangswert.

Vertiefung Leistungsfach
Ist stetig, dann liefert der Hauptsatz für
die Ableitung
und daher für
die Gleichung
mit
Der Anfangswert legt die sonst freie additive Konstante eindeutig fest.
Begründungsauftrag: Erkläre, warum zwei Bestandsfunktionen mit derselben Änderungsrate sich nur um eine Konstante unterscheiden können.
Hinweis: Betrachte die Ableitung der Differenz zweier solcher Funktionen.
Typische Fehler und Fehleranalyse
| Fehler | Korrektur |
|---|---|
| Integral mit Bestand verwechselt | Das Integral liefert zunächst die Änderung. |
| Negative Fläche positiv gezählt | Vorzeichen des Ratengraphen beachten. |
| Anfangswert vergessen | addieren. |
| Einheit nicht geprüft | Rate mal Zeit muss Bestandseinheit ergeben. |
| Weg mit Ortsänderung verwechselt | Bei Vorzeichenwechseln der Geschwindigkeit unterscheiden. |
Fehlerdiagnose: Eine Rechnung ergibt bei einer Rate in Litern pro Minute als Endergebnis „42 Liter pro Minute“. Die Zahl kann rechnerisch richtig wirken, die Einheit zeigt aber, dass kein Bestand berechnet wurde.
Interaktive Übung: Graph lesen
Nutze den dynamischen Graphen und beobachte, wie sich die aufsummierte Fläche verändert.
Auftrag:
- Wähle einen Bereich, in dem der Graph oberhalb der Achse liegt, und deute das Vorzeichen des Integrals.
- Verschiebe die obere Grenze über eine Nullstelle hinaus.
- Beschreibe, wann die Integralfunktion steigt oder fällt.
- Erkläre, warum eine Nullstelle der Änderungsrate nicht automatisch einen Bestand von null bedeutet.
Prüfungstraining Baden-Württemberg
Für den Prüfungsjahrgang 2027 verweist der Facherlass Mathematik auf den Bildungsplan 2016. Im Leistungsfach sind unter anderem Mittelwertberechnung mithilfe der Integralrechnung, uneigentliche Integrale und Näherungsverfahren nicht Gegenstand der schriftlichen Prüfung. Die schriftliche Prüfung im Leistungsfach besteht aus Teilen mit und ohne Hilfsmittel. Das Basisfach wird im Facherlass 2027 als mündliches Prüfungsfach beschrieben.
Wichtig: Prüfe immer Deinen tatsächlichen Prüfungsjahrgang und den dazugehörigen aktuellen Facherlass. GeoGebra, LearningApps, Videos oder andere digitale Übungswerkzeuge sind Lernwerkzeuge und nicht automatisch zugelassene Prüfungshilfsmittel.
Offizielle Informationen zum Abitur Baden-Württemberg
KI-Hinweis: KI-Ausgaben können Rechen- oder Modellierungsfehler enthalten. Prüfe Formeln durch Ableiten, Einheitenkontrolle, Plausibilität und gegebenenfalls eine unabhängige Rechnung. Eine KI-Ausgabe ersetzt keinen mathematischen Beweis.
Selbstkontrolle
Beantworte ohne Hilfsmittel:
- Kannst Du aus einem stückweise linearen Ratengraphen Rechteck-, Dreiecks- und Trapezbeiträge mit Vorzeichen bestimmen?
- Kannst Du erklären, warum nicht automatisch der Bestand bei ist?
- Kannst Du aus einer Rate in Stück pro Stunde die Einheit des Integrals bestimmen?
- Kannst Du bei einer Geschwindigkeit zwischen Ortsänderung und Weglänge unterscheiden?
- Kannst Du einen Anfangswert so einsetzen, dass aus einer Stammfunktion die konkrete Bestandsfunktion wird?
Auswertung: Wenn Du mindestens vier Fragen sicher mit Begründung beantworten kannst, bist Du bereit für den Kompetenzcheck. Bei Unsicherheiten bearbeite zuerst erneut die drei Modellbeispiele.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was liefert das bestimmte Integral einer Änderungsrate über ein Zeitintervall? (Die Bestandsänderung) (!Immer den Endbestand) (!Immer einen positiven Flächeninhalt) (!Die momentane Änderungsrate)
Welche Formel rekonstruiert einen Bestand aus Anfangswert und Änderungsrate? (Anfangswert plus Integral der Änderungsrate) (!Anfangswert minus Ableitung der Änderungsrate) (!Integral des Bestands plus Änderungsrate) (!Ableitung des Anfangswerts plus Zeit)
Welche Einheit hat das Integral einer Rate in Kubikmeter pro Stunde über Stunden? (Kubikmeter) (!Kubikmeter pro Stunde) (!Stunden pro Kubikmeter) (!Kubikmeter pro Quadratstunde)
Was bedeutet eine negative Änderungsrate für den Bestand? (Der Bestand nimmt momentan ab) (!Der Bestand ist negativ) (!Der Bestand ist null) (!Der Anfangswert ist unbekannt)
Warum wird ein Anfangswert benötigt? (Er legt die konkrete Bestandsfunktion fest) (!Er bestimmt die Ableitungsregel) (!Er macht jedes Integral positiv) (!Er ersetzt die Änderungsrate)
Wie lautet die Nettoänderungsrate bei Zufluss und Abfluss? (Zufluss minus Abfluss) (!Zufluss plus Bestand) (!Abfluss minus Zeit) (!Bestand durch Zufluss)
Was beschreibt das Integral einer Geschwindigkeit mit Vorzeichen? (Die Ortsänderung) (!Immer die gesamte Weglänge) (!Die Beschleunigung) (!Die Anfangsgeschwindigkeit)
Wie zählt ein Bereich eines Änderungsratengraphen unterhalb der Zeitachse? (Als negativer Integralbeitrag) (!Als positiver Integralbeitrag) (!Gar nicht) (!Als Anfangswert)
Wann kann bei stetiger Änderungsrate ein inneres Bestandsmaximum vorliegen? (BeBeim Wechsel der Rate von positiv zu negativ) (!Bei jedem positiven Anfangswert) (!Bei jeder positiven Rate) (!Wenn das Integral null beginnt)
Welche Aussage zu digitalen Übungswerkzeugen ist richtig? (Sie sind nicht automatisch als Prüfungshilfsmittel zugelassen) (!GeoGebra ist in jeder Abiturprüfung zugelassen) (!KI-Ausgaben gelten als Beweise) (!YouTube-Videos dürfen während jeder Prüfung genutzt werden)
Memory
| Bestandsfunktion | Gespeicherte Größe |
| Änderungsrate | Veränderung pro Zeiteinheit |
| Bestimmtes Integral | Orientierte Bilanz |
| Anfangswert | Vertikale Festlegung |
| Positive Rate | Zunahme |
| Negative Rate | Abnahme |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Zufluss minus Abfluss | Nettoänderungsrate |
| Geschwindigkeit | Ortsänderungsrate |
| Integral der Rate | Bestandsänderung |
| Anfangswert plus Integral | Rekonstruierter Bestand |
| Vorzeichenwechsel plus nach minus | Mögliches Bestandsmaximum |
Kreuzworträtsel
| Integral | Welche Rechenoperation sammelt Änderungsraten über ein Intervall? |
| Anfangswert | Welche Angabe legt eine konkrete Bestandsfunktion zusätzlich zur Rate fest? |
| Änderungsrate | Welche Größe beschreibt die momentane Veränderung eines Bestands? |
| Flächenbilanz | Wie nennt man die vorzeichenbehaftete Flächenwirkung eines bestimmten Integrals? |
| Stammfunktion | Welche Funktion wird zur Berechnung eines bestimmten Integrals verwendet? |
| Einheit | Was sollte nach jeder Modellrechnung sachgerecht kontrolliert werden? |
LearningApps
Lückentext
Übungen mit Hilfen und Feedback
Übung 1: Graphische Bestandsänderung
Eine Änderungsrate bildet über vier Stunden ein Dreieck oberhalb der Achse mit Grundseite 4 h und Höhe 6 Stück/h.
Aufgabe: Bestimme die Bestandsänderung.
Hilfe: Verwende den Dreiecksflächeninhalt.
Lösung:
Die Einheit ist Stück.
Übung 2: Negative Bilanz
Ein Ratengraph liegt zwei Stunden konstant bei Litern pro Stunde. Der Anfangsbestand beträgt 25 Liter.
Hilfe: Der Integralbeitrag ist negativ.
Lösung:
Liter.
Übung 3: Funktionale Rekonstruktion
Gegeben sind
und
Hilfe: Integriere Potenz für Potenz.
Lösung:
Übung 4: Transfer mit Vorzeichenwechsel
Eine Geschwindigkeit ist zunächst positiv und später negativ.
Aufgabe: Erkläre ohne Rechnung, warum das Integral über die gesamte Zeit kleiner sein kann als die tatsächlich zurückgelegte Weglänge.
Feedback: Positive und negative Ortsänderungen verrechnen sich im Integral. Für die Weglänge müssen die Teilwege positiv addiert werden.
Kompetenzcheck
Basisfach:
- Rekonstruiere einen Bestand aus einem gegebenen Anfangswert und einem einfachen Ratengraphen.
- Begründe die Vorzeichen der Teilflächen anschaulich.
- Prüfe das Ergebnis mit einer Einheitenrechnung.
Leistungsfach:
- Leite aus die Beziehung her.
- Untersuche Bestandsmaxima über Nullstellen und Vorzeichenwechsel der Rate.
- Vergleiche zwei verschiedene Änderungsraten mit demselben Anfangswert und begründe, welcher Bestand zu einem vorgegebenen Zeitpunkt größer ist.
- Beurteile, ob ein mathematisch korrektes Ergebnis im Sachmodell sinnvoll sein kann.
Reflexion
- Welche Information steckt in der Höhe eines Änderungsratengraphen?
- Welche Information steckt in der Fläche zwischen Ratengraph und Zeitachse?
- Warum kann derselbe Ratengraph zu verschiedenen Bestandsfunktionen gehören?
- Welche Rolle spielt die Einheit bei der Kontrolle Deiner Rechnung?
- An welcher Stelle würdest Du eine KI-Antwort besonders kritisch überprüfen?
Folgekurs
Als nächstes eignen sich:
- Integralfunktion: Von der aufsummierten Änderung zur neuen Funktion.
- Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung: Warum Ableiten und Integrieren zusammengehören.
- Flächenbilanz: Integrale mit Vorzeichen sicher interpretieren.
- Bewegungsaufgaben mit Integralen: Geschwindigkeit, Ort und Weglänge unterscheiden.
- Modellierung mit Differentialgleichungen: Änderungsraten als Ausgangspunkt dynamischer Modelle.
Offene Aufgaben
Leicht
- Änderungsraten-Comic: Zeichne vier Bilder, die Rate, Teiländerung, Bilanz und Endbestand eines Wassertanks zeigen.
- Einheiten-Karten: Erstelle Kartenpaare aus Änderungsrate und zugehöriger Bestandseinheit.
- Graphen-Geschichte: Erfinde zu einem einfachen Ratengraphen eine passende Geschichte aus Alltag oder Technik.
- Fehlersuche Integral: Formuliere drei typische Fehler bei der Bestandsrekonstruktion und verbessere sie.
Standard
- Tankmodell: Entwickle ein Zu- und Abflussmodell mit mindestens einem Vorzeichenwechsel der Nettoänderungsrate.
- Bewegungsanalyse: Zeichne einen Geschwindigkeitsgraphen und bestimme Ortsänderung und Weglänge.
- Produktionsplanung: Entwirf ein Lagerbestandsmodell aus Produktions- und Auslieferungsrate.
- GeoGebra-Erkundung: Dokumentiere mit Screenshots ohne personenbezogene Daten, wie eine Integralfunktion auf Änderungen des Ratengraphen reagiert.
Schwer
- Modellvergleich: Vergleiche zwei Änderungsraten, die im selben Zeitraum dieselbe Gesamtänderung erzeugen, aber unterschiedliche Zwischenbestände.
- Parameterstudie: Untersuche eine Änderungsrate mit Parameter und beschreibe den Einfluss des Parameters auf den Bestand.
- Begründungsprojekt: Erkläre den Hauptsatz anhand von Flächenzuwachs und Differenzenquotient und kennzeichne jeden Begründungsschritt.
- Abitur-Transferaufgabe: Entwickle eine mehrteilige Aufgabe mit Ratengraph, Anfangswert, Modellkritik und Einheitenprüfung für Basis- und Leistungsfach.


Lernkontrolle
- Transfer Zu- und Abfluss: Ein Becken hat bekannten Anfangsbestand. Zufluss und Abfluss werden durch zwei Graphen beschrieben. Entwickle ein Verfahren, mit dem Du entscheidest, wann der Bestand maximal ist, ohne zuerst einen vollständigen Funktionsterm für den Bestand zu bestimmen.
- Transfer Bewegung: Erkläre an einem selbst gewählten Geschwindigkeitsgraphen, warum gleiche Ortsänderung nicht gleiche Weglänge bedeuten muss.
- Transfer Produktion: Zwei Produktionsmodelle haben über einen Arbeitstag dieselbe Integralbilanz. Begründe, warum ihre Lagerbestände während des Tages trotzdem verschieden sein können.
- Modellkritik: Ein berechneter Bestand wird negativ. Nenne mindestens zwei mathematische oder sachliche Ursachen und beschreibe, wie Du das Modell prüfen würdest.
- Begründung Anfangswert: Zeige, warum die Änderungsrate allein den absoluten Bestand nicht festlegt.
- Einheitenargument: Begründe nur mithilfe der Einheiten, warum das Integral einer Rate in Personen pro Jahr über Jahre eine Personenanzahl beschreibt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können:
- Du deutest einen Änderungsratengraphen sachgerecht.
- Du bestimmst vorzeichenbehaftete Bestandsänderungen aus geometrischen Flächen.
- Du verwendest korrekt.
- Du erklärst die Rolle des Anfangswerts.
- Du interpretierst Einheiten konsequent.
- Du unterscheidest bei Bewegungen Ortsänderung und Weglänge.
- Du modellierst Zu-/Abfluss und Produktion als Nettoänderungsraten.
- Du begründest im Leistungsfach den Zusammenhang mit dem Hauptsatz.
- Du erkennst Modellgrenzen und prüfst Ergebnisse auf Plausibilität.
- Du kannst digitale oder KI-gestützte Ergebnisse mathematisch unabhängig kontrollieren.
OERs zum Thema
Freie und interaktive Lernmedien:
- Wikimedia Commons: Integral and derivative
- Wikimedia Commons: Velocity vs time graph
- Wikimedia Commons: animierte Riemann-Summe
- GeoGebra: Integralfunktionszeichner
- GeoGebra: Integral als zurückgelegter Weg
- Serlo: Integralfunktion
Medienhinweis: Wikimedia-Commons-Dateien werden über ihre Dateiseiten mit den dort angegebenen freien Lizenzen verwendet. Eingebettete externe Videos und GeoGebra-Materialien bleiben bei ihren jeweiligen Anbietern; prüfe für eine Weiterverwendung außerhalb der Einbettung jeweils die ausgewiesene Lizenz.
Quellen und Prüfungsbezug
- Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg: Termine und Informationen zum Abitur
- Landesbildungsserver Baden-Württemberg: Materialien zur Prüfungsvorbereitung
- Wikipedia: Integralrechnung
- Wikipedia: Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung
Verknüpfte Lernbereiche
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