Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 3 e 3x -3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 0 Minuten sind 4 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 2 Minuten darin?

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

= [ e 3x -3 ] 0 2

= e 32 -3 - e 30 -3

= e 6 -3 - e 0 -3

= e 3 - e -3


≈ 20,036
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 2 zusammen:
B = 4 + e 3 - e -3 ≈ 24.04

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= x -2 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 11 s hat er bereits 13 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 27 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 11 und 27:
11 27 x -2 x
= 11 27 ( x -2 ) 1 2 x

= [ 2 3 ( x -2 ) 3 2 ] 11 27

= [ 2 3 ( x -2 ) 3 ] 11 27

= 2 3 ( 27 -2 ) 3 - 2 3 ( 11 -2 ) 3

= 2 3 ( 25 ) 3 - 2 3 ( 9 ) 3

= 2 3 5 3 - 2 3 3 3

= 2 3 125 - 2 3 27

= 250 3 -18

= 250 3 - 54 3

= 196 3


≈ 65,333
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 11 und der Änderung zwischen 11 und 27 zusammen:
B = 13 + 196 3 = 235 3 ≈ 78.33

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 2,1 e -0,7x +0,8 x = 3

Lösung einblenden
0 u 2,1 e -0,7x +0,8 x

= [ -3 e -0,7x +0,8 ] 0 u

= -3 e -0,7u +0,8 +3 e -0,70 +0,8

= -3 e -0,7u +0,8 +3 e 0 +0,8

= -3 e -0,7u +0,8 +3 e 0,8

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 3 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-3 e -0,7u +0,8 +3 e 0,8 = 3 | -3 e 0,8
-3 e -0,7u +0,8 = -3 e 0,8 +3
-3 e -0,7u +0,8 = -3,6766 |:-3
e -0,7u +0,8 = 1,2255 |ln(⋅)
-0,7u +0,8 = ln( 1,2255 )
-0,7u +0,8 = 0,2033 | -0,8
-0,7u = -0,5967 |:(-0,7 )
u = 0,8524

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge eines Wirkstoffs im Blut eines Patienten kann zur Zeit x (in min) näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 ( 3x -5 ) 2 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 2 und Minute 4.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 4 -2 2 4 4 ( 3x -5 ) 2 x
= 1 2 2 4 4 ( 3x -5 ) -2 x

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

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

= 1 2 ( - 4 3( 34 -5 ) + 4 3( 32 -5 ) )

= 1 2 ( - 4 3( 12 -5 ) + 4 3( 6 -5 ) )

= 1 2 ( - 4 3 7 + 4 3 )

= 1 2 ( - 4 3 ( 1 7 ) + 4 3 1 )

= 1 2 ( - 4 21 + 4 3 )

= 1 2 ( - 4 21 + 28 21 )

= 1 2 · 8 7

= 4 7


≈ 0,571

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


Lösung einblenden
A(u)= 0 u 2 e -3x +4 x

= [ - 2 3 e -3x +4 ] 0 u

= - 2 3 e -3u +4 + 2 3 e -30 +4

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

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

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 2 3 e -3u +4 + 2 3 e 4 0 + 2 3 e 4 = 2 3 e 4 ≈ 36.399

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 36.399