Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 3 ( x -2 ) 3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 3 Minuten sind 16 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

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

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

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

= - 3 2 ( 5 -2 ) 2 + 3 2 ( 3 -2 ) 2

= - 3 2 3 2 + 3 2 1 2

= - 3 2 ( 1 9 ) + 3 2 1

= - 1 6 + 3 2

= - 1 6 + 9 6

= 4 3


≈ 1,333
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 5 zusammen:
B = 16 + 4 3 = 52 3 ≈ 17.33

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 x -2 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 3s hat er bereits 17 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 4 Sekunden?

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

= [ 3 ln( | x -2 | ) ] 3 4

= 3 ln( | 4 -2 | ) -3 ln( | 3 -2 | )

= 3 ln( 2 ) -3 ln( | 3 -2 | )

= 3 ln( 2 ) -3 ln( 1 )

= 3 ln( 2 ) +0

= 3 ln( 2 )


≈ 2,079
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 4 zusammen:
B = 17 + 3 ln( 2 ) ≈ 19.08

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 3 so, dass 3 u ( 8x +5 ) x = 245

Lösung einblenden
3 u ( 8x +5 ) x

= [ 4 x 2 +5x ] 3 u

= 4 u 2 +5u - ( 4 3 2 +53 )

= 4 u 2 +5u - ( 49 +15 )

= 4 u 2 +5u - ( 36 +15 )

= 4 u 2 +5u -1 · 51

= 4 u 2 +5u -51

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 245 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

4 u 2 +5u -51 = 245 | -245

4 u 2 +5u -296 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

u1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 4 · ( -296 ) 24

u1,2 = -5 ± 25 +4736 8

u1,2 = -5 ± 4761 8

u1 = -5 + 4761 8 = -5 +69 8 = 64 8 = 8

u2 = -5 - 4761 8 = -5 -69 8 = -74 8 = -9,25

Da u= -9,25 < 3 ist u= 8 die einzige Lösung.

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 -4 ) 2 +3x beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 1 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

= 1 [ 5 9 ( 3x -4 ) 3 + 3 2 x 2 ] 0 1

= 5 9 ( 31 -4 ) 3 + 3 2 1 2 - ( 5 9 ( 30 -4 ) 3 + 3 2 0 2 )

= 5 9 ( 3 -4 ) 3 + 3 2 1 - ( 5 9 ( 0 -4 ) 3 + 3 2 0 )

= 5 9 ( -1 ) 3 + 3 2 - ( 5 9 ( -4 ) 3 +0)

= 5 9 ( -1 ) + 3 2 - ( 5 9 ( -64 ) +0)

= - 5 9 + 3 2 - ( - 320 9 +0)

= - 10 18 + 27 18 - ( - 320 9 +0)

= 17 18 + 320 9

= 17 18 + 640 18

= 17 18 + 320 9

= 73 2


= 36,5

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 2 ( x -1 ) 3 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 - 2 ( x -1 ) 3 x
= 3 u -2 ( x -1 ) -3 x

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

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

= 1 ( u -1 ) 2 - 1 ( 3 -1 ) 2

= 1 ( u -1 ) 2 - 1 2 2

= 1 ( u -1 ) 2 - ( 1 4 )

Für u → ∞ gilt: A(u) = 1 ( u -1 ) 2 - 1 4 0 - 1 4 = - 1 4 ≈ -0.25

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.25