Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 4 e 2x -3 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=1 sind 73 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 2 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 1 und 2:
1 2 4 e 2x -3 x

= [ 2 e 2x -3 ] 1 2

= 2 e 22 -3 -2 e 21 -3

= 2 e 4 -3 -2 e 2 -3

= 2 e 1 -2 e -1

= 2e -2 e -1


≈ 4,701
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 2 zusammen:
B = 73 + -2 e -1 +2e ≈ 77.7

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 2 ( 2x -3 ) 2 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 3s hat er bereits 17 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 5 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 3 und 5:
3 5 2 ( 2x -3 ) 2 x
= 3 5 2 ( 2x -3 ) -2 x

= [ - ( 2x -3 ) -1 ] 3 5

= [ - 1 2x -3 ] 3 5

= - 1 25 -3 + 1 23 -3

= - 1 10 -3 + 1 6 -3

= - 1 7 + 1 3

= -( 1 7 ) + 1 3

= 4 21


≈ 0,19
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 5 zusammen:
B = 17 + 4 21 = 361 21 ≈ 17.19

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 0,9 e -0,3x +0,9 x = 1

Lösung einblenden
0 u 0,9 e -0,3x +0,9 x

= [ -3 e -0,3x +0,9 ] 0 u

= -3 e -0,3u +0,9 +3 e -0,30 +0,9

= -3 e -0,3u +0,9 +3 e 0 +0,9

= -3 e -0,3u +0,9 +3 e 0,9

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 1 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-3 e -0,3u +0,9 +3 e 0,9 = 1 | -3 e 0,9
-3 e -0,3u +0,9 = -3 e 0,9 +1
-3 e -0,3u +0,9 = -6,3788 |:-3
e -0,3u +0,9 = 2,1263 |ln(⋅)
-0,3u +0,9 = ln( 2,1263 )
-0,3u +0,9 = 0,7544 | -0,9
-0,3u = -0,1456 |:(-0,3 )
u = 0,4853

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge an Wasser in einem Wassertank zur Zeit x (in min) kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 ( x -2 ) 2 +3x beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 4 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 4 +0 0 4 ( 4 ( x -2 ) 2 +3x ) x

= 1 4 [ 4 3 ( x -2 ) 3 + 3 2 x 2 ] 0 4

= 1 4 ( 4 3 ( 4 -2 ) 3 + 3 2 4 2 - ( 4 3 ( 0 -2 ) 3 + 3 2 0 2 ))

= 1 4 ( 4 3 2 3 + 3 2 16 - ( 4 3 ( -2 ) 3 + 3 2 0 ))

= 1 4 ( 4 3 8 +24 - ( 4 3 ( -8 ) +0))

= 1 4 ( 32 3 +24 - ( - 32 3 +0))

= 1 4 ( 32 3 + 72 3 - ( - 32 3 +0))

= 1 4 ( 104 3 + 32 3 )

= 1 4 · 136 3

= 34 3


≈ 11,333

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= -3 e -2x +4 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=2 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 2 u -3 e -2x +4 x

= [ 3 2 e -2x +4 ] 2 u

= 3 2 e -2u +4 - 3 2 e -22 +4

= 3 2 e -2u +4 - 3 2 e -4 +4

= 3 2 e -2u +4 - 3 2 e 0

= 3 2 e -2u +4 - 3 2

Für u → ∞ gilt: A(u) = 3 2 e -2u +4 - 3 2 0 - 3 2 = - 3 2 ≈ -1.5

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 1.5