Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 e 2x -2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 0 Minuten sind 9 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 2 e 2x -2 x

= [ e 2x -2 ] 0 1

= e 21 -2 - e 20 -2

= e 2 -2 - e 0 -2

= e 0 - e -2

= 1 - e -2


≈ 0,865
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 1 zusammen:
B = 9 + - e -2 +1 ≈ 9.86

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 3 e 2x -1 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 57 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 2 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 2:
0 2 3 e 2x -1 x

= [ 3 2 e 2x -1 ] 0 2

= 3 2 e 22 -1 - 3 2 e 20 -1

= 3 2 e 4 -1 - 3 2 e 0 -1

= 3 2 e 3 - 3 2 e -1


≈ 29,576
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 2 zusammen:
B = 57 + 3 2 e 3 - 3 2 e -1 ≈ 86.58

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 2,5 e 0,5x -0,9 x = 9

Lösung einblenden
0 u 2,5 e 0,5x -0,9 x

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

= 5 e 0,5u -0,9 -5 e 0,50 -0,9

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

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

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 9 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

5 e 0,5u -0,9 -5 e -0,9 = 9 | +5 e -0,9
5 e 0,5u -0,9 = 5 e -0,9 +9
5 e 0,5u -0,9 = 11,0328 |:5
e 0,5u -0,9 = 2,2066 |ln(⋅)
0,5u -0,9 = ln( 2,2066 )
0,5u -0,9 = 0,7915 | +0,9
0,5u = 1,6915 |:0,5
u = 3,383

Mittelwerte

Beispiel:

Bestimme den Mittelwert der Funktionswerte von f mit f(x)= 3x -5 zwischen 14 3 und 10 .

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 10 - 14 3 14 3 10 3x -5 x
= 3 16 14 3 10 ( 3x -5 ) 1 2 x

= 3 16 [ 2 9 ( 3x -5 ) 3 2 ] 14 3 10

= 3 16 [ 2 9 ( 3x -5 ) 3 ] 14 3 10

= 3 16 ( 2 9 ( 310 -5 ) 3 - 2 9 ( 3( 14 3 ) -5 ) 3 )

= 3 16 ( 2 9 ( 30 -5 ) 3 - 2 9 ( 14 -5 ) 3 )

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

= 3 16 ( 2 9 5 3 - 2 9 3 3 )

= 3 16 ( 2 9 125 - 2 9 27 )

= 3 16 ( 250 9 -6 )

= 3 16 ( 250 9 - 54 9 )

= 3 16 · 196 9

= 49 12


≈ 4,083

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 3 e -x +2 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=1 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 1 u 3 e -x +2 x

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

= -3 e -u +2 +3 e -1 +2

= -3 e -u +2 +3 e 1

= -3 e -u +2 +3e

Für u → ∞ gilt: A(u) = -3 e -u +2 +3e 0+3e = 3e ≈ 8.155

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 8.155