Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 e 3x -3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 1 Minuten sind 17 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 2 Minuten darin?

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

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

= 2 3 e 32 -3 - 2 3 e 31 -3

= 2 3 e 6 -3 - 2 3 e 3 -3

= 2 3 e 3 - 2 3 e 0

= 2 3 e 3 - 2 3


≈ 12,724
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 2 zusammen:
B = 17 + 2 3 e 3 - 2 3 ≈ 29.72

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 6 e 3x -4 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 44 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 2 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 2:
0 2 6 e 3x -4 x

= [ 2 e 3x -4 ] 0 2

= 2 e 32 -4 -2 e 30 -4

= 2 e 6 -4 -2 e 0 -4

= 2 e 2 -2 e -4


≈ 14,741
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 2 zusammen:
B = 44 + 2 e 2 -2 e -4 ≈ 58.74

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 2,8 e 0,4x -0,9 x = 14

Lösung einblenden
0 u 2,8 e 0,4x -0,9 x

= [ 7 e 0,4x -0,9 ] 0 u

= 7 e 0,4u -0,9 -7 e 0,40 -0,9

= 7 e 0,4u -0,9 -7 e 0 -0,9

= 7 e 0,4u -0,9 -7 e -0,9

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 14 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

7 e 0,4u -0,9 -7 e -0,9 = 14 | +7 e -0,9
7 e 0,4u -0,9 = 7 e -0,9 +14
7 e 0,4u -0,9 = 16,846 |:7
e 0,4u -0,9 = 2,4066 |ln(⋅)
0,4u -0,9 = ln( 2,4066 )
0,4u -0,9 = 0,8782 | +0,9
0,4u = 1,7782 |:0,4
u = 4,4455

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge eines Wirkstoffs im Blut eines Patienten kann zur Zeit x (in min) näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= x -1 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 10 und Minute 26 .

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 26 -10 10 26 x -1 x
= 1 16 10 26 ( x -1 ) 1 2 x

= 1 16 [ 2 3 ( x -1 ) 3 2 ] 10 26

= 1 16 [ 2 3 ( x -1 ) 3 ] 10 26

= 1 16 ( 2 3 ( 26 -1 ) 3 - 2 3 ( 10 -1 ) 3 )

= 1 16 ( 2 3 ( 25 ) 3 - 2 3 ( 9 ) 3 )

= 1 16 ( 2 3 5 3 - 2 3 3 3 )

= 1 16 ( 2 3 125 - 2 3 27 )

= 1 16 ( 250 3 -18 )

= 1 16 ( 250 3 - 54 3 )

= 1 16 · 196 3

= 49 12


≈ 4,083

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 2 ( 2x -5 ) 3 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=7 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 7 u 2 ( 2x -5 ) 3 x
= 7 u 2 ( 2x -5 ) - 3 2 x

= [ -2 ( 2x -5 ) - 1 2 ] 7 u

= [ - 2 2x -5 ] 7 u

= - 2 2u -5 + 2 27 -5

= - 2 2u -5 + 2 14 -5

= - 2 2u -5 + 2 9

= - 2 2u -5 + 2 3

= - 2 2u -5 +2( 1 3 )

= - 2 2u -5 + 2 3

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 2 2u -5 + 2 3 0 + 2 3 = 2 3 ≈ 0.667

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.667