Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 4 ( 3x -5 ) 2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 2 Minuten sind 4 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 2 und 5:
2 5 4 ( 3x -5 ) 2 x
= 2 5 4 ( 3x -5 ) -2 x

= [ - 4 3 ( 3x -5 ) -1 ] 2 5

= [ - 4 3( 3x -5 ) ] 2 5

= - 4 3( 35 -5 ) + 4 3( 32 -5 )

= - 4 3( 15 -5 ) + 4 3( 6 -5 )

= - 4 3 10 + 4 3

= - 4 3 ( 1 10 ) + 4 3 1

= - 2 15 + 4 3

= - 2 15 + 20 15

= 6 5


= 1,2
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 5 zusammen:
B = 4 + 6 5 = 26 5 ≈ 5.2

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 2 e x -3 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=2 sind 50 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 3 Minuten?

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

= [ 2 e x -3 ] 2 3

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

= 2 e 0 -2 e -1

= 2 -2 e -1


≈ 1,264
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 3 zusammen:
B = 50 + -2 e -1 +2 ≈ 51.26

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 3,6 e -0,4x +0,9 x = 4

Lösung einblenden
0 u 3,6 e -0,4x +0,9 x

= [ -9 e -0,4x +0,9 ] 0 u

= -9 e -0,4u +0,9 +9 e -0,40 +0,9

= -9 e -0,4u +0,9 +9 e 0 +0,9

= -9 e -0,4u +0,9 +9 e 0,9

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 4 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-9 e -0,4u +0,9 +9 e 0,9 = 4 | -9 e 0,9
-9 e -0,4u +0,9 = -9 e 0,9 +4
-9 e -0,4u +0,9 = -18,1364 |:-9
e -0,4u +0,9 = 2,0152 |ln(⋅)
-0,4u +0,9 = ln( 2,0152 )
-0,4u +0,9 = 0,7007 | -0,9
-0,4u = -0,1993 |:(-0,4 )
u = 0,4983

Mittelwerte

Beispiel:

Die Temperatur an einem Wintertag kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 6 cos( 2x - 3 2 π) beschrieben werden. Bestimme die Durchschnittstemperatur zwischen 1 2 π und π .

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 π - 1 2 π 1 2 π π 6 cos( 2x - 3 2 π) x

= 2 π [ 3 sin( 2x - 3 2 π) ] 1 2 π π

= 2 π · ( 3 sin( 2π - 3 2 π) -3 sin( 2( 1 2 π ) - 3 2 π) )

= 2 π · ( 3 sin( 1 2 π) -3 sin( - 1 2 π) )

= 2 π · ( 31 -3( -1 ) )

= 2 π · ( 3 +3 )

= 2 π · 6

= 12 π


≈ 3,82

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 3 ( -3x +6 ) 2 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=3 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 3 u - 3 ( -3x +6 ) 2 x
= 3 u -3 ( -3x +6 ) -2 x

= [ - ( -3x +6 ) -1 ] 3 u

= [ - 1 -3x +6 ] 3 u

= - 1 -3u +6 + 1 -33 +6

= - 1 -3u +6 + 1 -9 +6

= - 1 -3u +6 + 1 ( -3 )

= - 1 -3u +6 + ( - 1 3 )

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 1 -3u +6 - 1 3 0 - 1 3 = - 1 3 ≈ -0.333

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.333