Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 ( x -2 ) 2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 3 Minuten sind 15 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 6 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 3 und 6:
3 6 2 ( x -2 ) 2 x
= 3 6 2 ( x -2 ) -2 x

= [ -2 ( x -2 ) -1 ] 3 6

= [ - 2 x -2 ] 3 6

= - 2 6 -2 + 2 3 -2

= - 2 4 + 2 1

= -2( 1 4 ) +21

= - 1 2 +2

= -0,5 +2

= 1,5


= 1,5
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 6 zusammen:
B = 15 + 3 2 = 33 2 ≈ 16.5

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 6 2x -5 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 21 2 s hat er bereits 5 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 15 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 21 2 und 15:
21 2 15 6 2x -5 x
= 21 2 15 6 ( 2x -5 ) 1 2 x

= [ 2 ( 2x -5 ) 3 2 ] 21 2 15

= [ 2 ( 2x -5 ) 3 ] 21 2 15

= 2 ( 215 -5 ) 3 -2 ( 2( 21 2 ) -5 ) 3

= 2 ( 30 -5 ) 3 -2 ( 21 -5 ) 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 21 2 und der Änderung zwischen 21 2 und 15 zusammen:
B = 5 + 122 = 127

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 1,8 e 0,9x -0,2 x = 18

Lösung einblenden
0 u 1,8 e 0,9x -0,2 x

= [ 2 e 0,9x -0,2 ] 0 u

= 2 e 0,9u -0,2 -2 e 0,90 -0,2

= 2 e 0,9u -0,2 -2 e 0 -0,2

= 2 e 0,9u -0,2 -2 e -0,2

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 18 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

2 e 0,9u -0,2 -2 e -0,2 = 18 | +2 e -0,2
2 e 0,9u -0,2 = 2 e -0,2 +18
2 e 0,9u -0,2 = 19,6375 |:2
e 0,9u -0,2 = 9,8188 |ln(⋅)
0,9u -0,2 = ln( 9,8188 )
0,9u -0,2 = 2,2843 | +0,2
0,9u = 2,4843 |:0,9
u = 2,7603

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge an Wasser in einem Wassertank zur Zeit x (in min) kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 5 e x -1 beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 2 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 2 +0 0 2 5 e x -1 x

= 1 2 [ 5 e x -1 ] 0 2

= 1 2 ( 5 e 2 -1 -5 e 0 -1 )

= 1 2 ( 5 e 1 -5 e -1 )

= 1 2 (5e -5 e -1 )

= 1 2 ( -5 e -1 +5e)


≈ 5,876

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


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

= [ 2 3 ( -3x +3 ) -1 ] 3 u

= [ 2 3( -3x +3 ) ] 3 u

= 2 3( -3u +3 ) - 2 3( -33 +3 )

= 2 3( -3u +3 ) - 2 3( -9 +3 )

= 2 3( -3u +3 ) - 2 3 ( -6 )

= 2 3( -3u +3 ) - 2 3 ( - 1 6 )

= 2 3( -3u +3 ) + 1 9

Für u → ∞ gilt: A(u) = 2 3( -3u +3 ) + 1 9 0 + 1 9 = 1 9 ≈ 0.111

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.111