Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 4 e 2x -1 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 72 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 1 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 1:
0 1 4 e 2x -1 x

= [ 2 e 2x -1 ] 0 1

= 2 e 21 -1 -2 e 20 -1

= 2 e 2 -1 -2 e 0 -1

= 2 e 1 -2 e -1

= 2e -2 e -1


≈ 4,701
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 1 zusammen:
B = 72 + -2 e -1 +2e ≈ 76.7

Integralanwendungen

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= e x -2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 0 Minuten sind 13 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 3 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 3:
0 3 e x -2 x

= [ e x -2 ] 0 3

= e 3 -2 - e 0 -2

= e 1 - e -2

= e - e -2


≈ 2,583
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 3 zusammen:
B = 13 + - e -2 + e ≈ 15.58

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 2,7 e 0,9x -0,1 x = 15

Lösung einblenden
0 u 2,7 e 0,9x -0,1 x

= [ 3 e 0,9x -0,1 ] 0 u

= 3 e 0,9u -0,1 -3 e 0,90 -0,1

= 3 e 0,9u -0,1 -3 e 0 -0,1

= 3 e 0,9u -0,1 -3 e -0,1

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 15 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

3 e 0,9u -0,1 -3 e -0,1 = 15 | +3 e -0,1
3 e 0,9u -0,1 = 3 e -0,1 +15
3 e 0,9u -0,1 = 17,7145 |:3
e 0,9u -0,1 = 5,9048 |ln(⋅)
0,9u -0,1 = ln( 5,9048 )
0,9u -0,1 = 1,7758 | +0,1
0,9u = 1,8758 |:0,9
u = 2,0842

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge an Wasser in einem Wassertank zur Zeit x (in min) kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 5 ( 3x -7 ) 2 +4 beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 3 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 3 +0 0 3 ( 5 ( 3x -7 ) 2 +4 ) x

= 1 3 [ 5 9 ( 3x -7 ) 3 +4x ] 0 3

= 1 3 ( 5 9 ( 33 -7 ) 3 +43 - ( 5 9 ( 30 -7 ) 3 +40 ))

= 1 3 ( 5 9 ( 9 -7 ) 3 +12 - ( 5 9 ( 0 -7 ) 3 +0))

= 1 3 ( 5 9 2 3 +12 - ( 5 9 ( -7 ) 3 +0))

= 1 3 ( 5 9 8 +12 - ( 5 9 ( -343 ) +0))

= 1 3 ( 40 9 +12 - ( - 1715 9 +0))

= 1 3 ( 40 9 + 108 9 - ( - 1715 9 +0))

= 1 3 ( 148 9 + 1715 9 )

= 1 3 · 207

= 69

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 1 x -3 schließt mit der x-Achse, der Geraden x= 19 und der Geraden x=3 eine nach oben bzw. unten offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= u 19 1 x -3 x
= u 19 ( x -3 ) - 1 2 x

= [ 2 ( x -3 ) 1 2 ] u 19

= [ 2 x -3 ] u 19

= 2 19 -3 -2 u -3

= 2 16 -2 u -3

= 24 -2 u -3

= 8 -2 u -3

Für u → 3 (u>3, also von rechts) gilt: A(u) = -2 u -3 +8 0 +8 = 8 ≈ 8

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 8