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 3 Minuten darin?

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

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

= 2 3 e 33 -3 - 2 3 e 31 -3

= 2 3 e 9 -3 - 2 3 e 3 -3

= 2 3 e 6 - 2 3 e 0

= 2 3 e 6 - 2 3


≈ 268,286
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 3 zusammen:
B = 17 + 2 3 e 6 - 2 3 ≈ 285.29

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 x -3 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 19 s hat er bereits 9 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 28 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 19 und 28:
19 28 3 x -3 x
= 19 28 3 ( x -3 ) 1 2 x

= [ 2 ( x -3 ) 3 2 ] 19 28

= [ 2 ( x -3 ) 3 ] 19 28

= 2 ( 28 -3 ) 3 -2 ( 19 -3 ) 3

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

= 2 5 3 -2 4 3

= 2125 -264

= 250 -128

= 122

Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 19 und der Änderung zwischen 19 und 28 zusammen:
B = 9 + 122 = 131

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 6,3 e -0,9x +0,5 x = 6

Lösung einblenden
0 u 6,3 e -0,9x +0,5 x

= [ -7 e -0,9x +0,5 ] 0 u

= -7 e -0,9u +0,5 +7 e -0,90 +0,5

= -7 e -0,9u +0,5 +7 e 0 +0,5

= -7 e -0,9u +0,5 +7 e 0,5

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 6 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-7 e -0,9u +0,5 +7 e 0,5 = 6 | -7 e 0,5
-7 e -0,9u +0,5 = -7 e 0,5 +6
-7 e -0,9u +0,5 = -5,541 |:-7
e -0,9u +0,5 = 0,7916 |ln(⋅)
-0,9u +0,5 = ln( 0,7916 )
-0,9u +0,5 = -0,2337 | -0,5
-0,9u = -0,7337 |:(-0,9 )
u = 0,8152

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge eines Wirkstoffs im Blut eines Patienten kann zur Zeit x (in min) näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 5 ( x -1 ) 3 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 2 und Minute 5.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 5 -2 2 5 5 ( x -1 ) 3 x

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

= 1 3 ( 5 4 ( 5 -1 ) 4 - 5 4 ( 2 -1 ) 4 )

= 1 3 ( 5 4 4 4 - 5 4 1 4 )

= 1 3 ( 5 4 256 - 5 4 1 )

= 1 3 ( 320 - 5 4 )

= 1 3 ( 1280 4 - 5 4 )

= 1 3 · 1275 4

= 425 4


= 106,25

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 2 2x -4 schließt mit der x-Achse, der Geraden x= 4 und der Geraden x=2 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 4 2 2x -4 x
= u 4 2 ( 2x -4 ) - 1 2 x

= [ 2 ( 2x -4 ) 1 2 ] u 4

= [ 2 2x -4 ] u 4

= 2 24 -4 -2 2u -4

= 2 8 -4 -2 2u -4

= 2 4 -2 2u -4

= 22 -2 2u -4

= 4 -2 2u -4

Für u → 2 (u>2, also von rechts) gilt: A(u) = -2 2u -4 +4 0 +4 = 4 ≈ 4

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 4