Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von e 3x -4 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 50 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 1 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 1:
0 1 e 3x -4 x

= [ 1 3 e 3x -4 ] 0 1

= 1 3 e 31 -4 - 1 3 e 30 -4

= 1 3 e 3 -4 - 1 3 e 0 -4

= 1 3 e -1 - 1 3 e -4


≈ 0,117
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 1 zusammen:
B = 50 + 1 3 e -1 - 1 3 e -4 ≈ 50.12

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 3x -4 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 3s hat er bereits 5 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 3x -4 x
= 3 4 3 ( 3x -4 ) -1 x

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

= ln( | 34 -4 | ) - ln( | 33 -4 | )

= ln( | 12 -4 | ) - ln( | 9 -4 | )

= ln( 8 ) - ln( | 9 -4 | )

= ln( 8 ) - ln( 5 )


≈ 0,47
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 4 zusammen:
B = 5 + ln( | 8 | ) - ln( | 5 | ) ≈ 5.47

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 1 so, dass 1 u -10x x = -206,25

Lösung einblenden
1 u -10x x

= [ -5 x 2 ] 1 u

= -5 u 2 +5 1 2

= -5 u 2 +51

= -5 u 2 +5

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -206,25 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-5 u 2 +5 = -206,25 | -5
-5 u 2 = -211,25 |: ( -5 )
u 2 = 42,25 | 2
u1 = - 42,25 = -6,5
u2 = 42,25 = 6,5

Da u= -6,5 < 1 ist u= 6,5 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)= 2 ( 3x -4 ) 2 +2 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 ( 2 ( 3x -4 ) 2 +2 ) x

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

= 1 3 ( 2 9 ( 33 -4 ) 3 +23 - ( 2 9 ( 30 -4 ) 3 +20 ))

= 1 3 ( 2 9 ( 9 -4 ) 3 +6 - ( 2 9 ( 0 -4 ) 3 +0))

= 1 3 ( 2 9 5 3 +6 - ( 2 9 ( -4 ) 3 +0))

= 1 3 ( 2 9 125 +6 - ( 2 9 ( -64 ) +0))

= 1 3 ( 250 9 +6 - ( - 128 9 +0))

= 1 3 ( 250 9 + 54 9 - ( - 128 9 +0))

= 1 3 ( 304 9 + 128 9 )

= 1 3 · 48

= 16

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 3 x -3 schließt mit der x-Achse, der Geraden x= 12 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 12 3 x -3 x
= u 12 3 ( x -3 ) - 1 2 x

= [ 6 ( x -3 ) 1 2 ] u 12

= [ 6 x -3 ] u 12

= 6 12 -3 -6 u -3

= 6 9 -6 u -3

= 63 -6 u -3

= 18 -6 u -3

Für u → 3 (u>3, also von rechts) gilt: A(u) = -6 u -3 +18 0 +18 = 18 ≈ 18

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 18