Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 e x -2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 1 Minuten sind 12 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 x -2 x

= [ 2 e x -2 ] 1 3

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

= 2 e 1 -2 e -1

= 2e -2 e -1


≈ 4,701
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 3 zusammen:
B = 12 + -2 e -1 +2e ≈ 16.7

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 x -1 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 2s hat er bereits 14 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 4 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 2 und 4:
2 4 4 x -1 x
= 2 4 4 ( x -1 ) -1 x

= [ 4 ln( | x -1 | ) ] 2 4

= 4 ln( | 4 -1 | ) -4 ln( | 2 -1 | )

= 4 ln( 3 ) -4 ln( | 2 -1 | )

= 4 ln( 3 ) -4 ln( 1 )

= 4 ln( 3 ) +0

= 4 ln( 3 )


≈ 4,394
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 4 zusammen:
B = 14 + 4 ln( 3 ) ≈ 18.39

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 1 so, dass 1 u 10x x = 206,25

Lösung einblenden
1 u 10x x

= [ 5 x 2 ] 1 u

= 5 u 2 -5 1 2

= 5 u 2 -51

= 5 u 2 -5

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 206,25 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

5 u 2 -5 = 206,25 | +5
5 u 2 = 211,25 |:5
u 2 = 42,25 | 2
u1 = - 42,25 = -6,5
u2 = 42,25 = 6,5

Da u= -6,5 < 1 ist u= 6,5 die einzige Lösung.

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 -2 ) 2 +4x (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 0 und Minute 3.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

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

= 1 3 ( 5 3 ( 3 -2 ) 3 +2 3 2 - ( 5 3 ( 0 -2 ) 3 +2 0 2 ))

= 1 3 ( 5 3 1 3 +29 - ( 5 3 ( -2 ) 3 +20 ))

= 1 3 ( 5 3 1 +18 - ( 5 3 ( -8 ) +0))

= 1 3 ( 5 3 +18 - ( - 40 3 +0))

= 1 3 ( 5 3 + 54 3 - ( - 40 3 +0))

= 1 3 ( 59 3 + 40 3 )

= 1 3 · 33

= 11

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


Lösung einblenden
A(u)= 0 u -3 e -2x +5 x

= [ 3 2 e -2x +5 ] 0 u

= 3 2 e -2u +5 - 3 2 e -20 +5

= 3 2 e -2u +5 - 3 2 e 0 +5

= 3 2 e -2u +5 - 3 2 e 5

Für u → ∞ gilt: A(u) = 3 2 e -2u +5 - 3 2 e 5 0 - 3 2 e 5 = - 3 2 e 5 ≈ -222.62

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 222.62