Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 6 e 2x -4 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 80 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 1 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 1:
0 1 6 e 2x -4 x

= [ 3 e 2x -4 ] 0 1

= 3 e 21 -4 -3 e 20 -4

= 3 e 2 -4 -3 e 0 -4

= 3 e -2 -3 e -4


≈ 0,351
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 1 zusammen:
B = 80 + 3 e -2 -3 e -4 ≈ 80.35

Integralanwendungen

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 3 e 2x -1 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 1 Minuten sind 20 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 4 Minuten darin?

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

= [ 3 2 e 2x -1 ] 1 4

= 3 2 e 24 -1 - 3 2 e 21 -1

= 3 2 e 8 -1 - 3 2 e 2 -1

= 3 2 e 7 - 3 2 e 1

= 3 2 e 7 - 3 2 e


≈ 1640,872
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 4 zusammen:
B = 20 + 3 2 e 7 - 3 2 e ≈ 1660.87

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 3 so, dass 3 u ( -4x +5 ) x = -22

Lösung einblenden
3 u ( -4x +5 ) x

= [ -2 x 2 +5x ] 3 u

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

= -2 u 2 +5u - ( -29 +15 )

= -2 u 2 +5u - ( -18 +15 )

= -2 u 2 +5u -1 · ( -3 )

= -2 u 2 +5u +3

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -22 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-2 u 2 +5u +3 = -22 | +22

-2 u 2 +5u +25 = 0

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

u1,2 = -5 ± 5 2 -4 · ( -2 ) · 25 2( -2 )

u1,2 = -5 ± 25 +200 -4

u1,2 = -5 ± 225 -4

u1 = -5 + 225 -4 = -5 +15 -4 = 10 -4 = -2,5

u2 = -5 - 225 -4 = -5 -15 -4 = -20 -4 = 5

Da u= -2,5 < 3 ist u= 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)= 3 ( 2x -4 ) 3 +2 beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 5 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

= 1 5 [ 3 8 ( 2x -4 ) 4 +2x ] 0 5

= 1 5 ( 3 8 ( 25 -4 ) 4 +25 - ( 3 8 ( 20 -4 ) 4 +20 ))

= 1 5 ( 3 8 ( 10 -4 ) 4 +10 - ( 3 8 ( 0 -4 ) 4 +0))

= 1 5 ( 3 8 6 4 +10 - ( 3 8 ( -4 ) 4 +0))

= 1 5 ( 3 8 1296 +10 - ( 3 8 256 +0))

= 1 5 ( 486 +10 - ( 96 +0))

= 1 5 ( 496 -96 )

= 1 5 · 400

= 80

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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

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

= [ 1 -x +2 ] 3 u

= 1 -u +2 - 1 -3 +2

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

= 1 -u +2 - ( -1 )

= 1 -u +2 +1

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

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 1