Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 e x -3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 2 Minuten sind 7 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

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

= [ 2 e x -3 ] 2 5

= 2 e 5 -3 -2 e 2 -3

= 2 e 2 -2 e -1


≈ 14,042
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 5 zusammen:
B = 7 + 2 e 2 -2 e -1 ≈ 21.04

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 3 e 2x -3 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=2 sind 44 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 4 Minuten?

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

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

= 3 2 e 24 -3 - 3 2 e 22 -3

= 3 2 e 8 -3 - 3 2 e 4 -3

= 3 2 e 5 - 3 2 e 1

= 3 2 e 5 - 3 2 e


≈ 218,542
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 4 zusammen:
B = 44 + 3 2 e 5 - 3 2 e ≈ 262.54

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 3 so, dass 3 u ( -2x +5 ) x = -0,75

Lösung einblenden
3 u ( -2x +5 ) x

= [ - x 2 +5x ] 3 u

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

= - u 2 +5u - ( -9 +15 )

= - u 2 +5u +9 -15

= - u 2 +5u -6

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -0,75 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

- u 2 +5u -6 = -0,75 | +0,75

- u 2 +5u -5,25 = 0

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

u1,2 = -5 ± 5 2 -4 · ( -1 ) · ( -5,25 ) 2( -1 )

u1,2 = -5 ± 25 -21 -2

u1,2 = -5 ± 4 -2

u1 = -5 + 4 -2 = -5 +2 -2 = -3 -2 = 1,5

u2 = -5 - 4 -2 = -5 -2 -2 = -7 -2 = 3,5

Da u= 1,5 < 3 ist u= 3,5 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 -2 ) 2 beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 2 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

= 1 2 [ 1 2 ( 2x -2 ) 3 ] 0 2

= 1 2 ( 1 2 ( 22 -2 ) 3 - 1 2 ( 20 -2 ) 3 )

= 1 2 ( 1 2 ( 4 -2 ) 3 - 1 2 ( 0 -2 ) 3 )

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

= 1 2 ( 1 2 8 - 1 2 ( -8 ) )

= 1 2 ( 4 +4 )

= 1 2 · 8

= 4

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


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

= [ 1 3 e -3x +3 ] 2 u

= 1 3 e -3u +3 - 1 3 e -32 +3

= 1 3 e -3u +3 - 1 3 e -6 +3

= 1 3 e -3u +3 - 1 3 e -3

Für u → ∞ gilt: A(u) = 1 3 e -3u +3 - 1 3 e -3 0 - 1 3 e -3 = - 1 3 e -3 ≈ -0.017

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.017