Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 4 e x -1 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 0 Minuten sind 2 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 1 Minuten darin?

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

= [ 4 e x -1 ] 0 1

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

= 4 e 0 -4 e -1

= 4 -4 e -1


≈ 2,528
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 1 zusammen:
B = 2 + -4 e -1 +4 ≈ 4.53

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 2 x -1 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 17 s hat er bereits 14 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 26 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 17 und 26:
17 26 2 x -1 x
= 17 26 2 ( x -1 ) 1 2 x

= [ 4 3 ( x -1 ) 3 2 ] 17 26

= [ 4 3 ( x -1 ) 3 ] 17 26

= 4 3 ( 26 -1 ) 3 - 4 3 ( 17 -1 ) 3

= 4 3 ( 25 ) 3 - 4 3 ( 16 ) 3

= 4 3 5 3 - 4 3 4 3

= 4 3 125 - 4 3 64

= 500 3 - 256 3

= 244 3


≈ 81,333
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 17 und der Änderung zwischen 17 und 26 zusammen:
B = 14 + 244 3 = 286 3 ≈ 95.33

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 1,6 e -0,2x +0,3 x = 4

Lösung einblenden
0 u 1,6 e -0,2x +0,3 x

= [ -8 e -0,2x +0,3 ] 0 u

= -8 e -0,2u +0,3 +8 e -0,20 +0,3

= -8 e -0,2u +0,3 +8 e 0 +0,3

= -8 e -0,2u +0,3 +8 e 0,3

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 4 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-8 e -0,2u +0,3 +8 e 0,3 = 4 | -8 e 0,3
-8 e -0,2u +0,3 = -8 e 0,3 +4
-8 e -0,2u +0,3 = -6,7989 |:-8
e -0,2u +0,3 = 0,8499 |ln(⋅)
-0,2u +0,3 = ln( 0,8499 )
-0,2u +0,3 = -0,1626 | -0,3
-0,2u = -0,4626 |:(-0,2 )
u = 2,313

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge an Wasser in einem Wassertank zur Zeit x (in min) kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 ( 2x -4 ) 2 +4 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 ( 4 ( 2x -4 ) 2 +4 ) x

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

= 1 3 ( 2 3 ( 23 -4 ) 3 +43 - ( 2 3 ( 20 -4 ) 3 +40 ))

= 1 3 ( 2 3 ( 6 -4 ) 3 +12 - ( 2 3 ( 0 -4 ) 3 +0))

= 1 3 ( 2 3 2 3 +12 - ( 2 3 ( -4 ) 3 +0))

= 1 3 ( 2 3 8 +12 - ( 2 3 ( -64 ) +0))

= 1 3 ( 16 3 +12 - ( - 128 3 +0))

= 1 3 ( 16 3 + 36 3 - ( - 128 3 +0))

= 1 3 ( 52 3 + 128 3 )

= 1 3 · 60

= 20

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - e -x +2 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 -x +2 x

= [ e -x +2 ] 2 u

= e -u +2 - e -2 +2

= e -u +2 - e 0

= e -u +2 -1

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

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