Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 ( 2x -3 ) 3 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 2s hat er bereits 5 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 3 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 2 und 3:
2 3 4 ( 2x -3 ) 3 x
= 2 3 4 ( 2x -3 ) -3 x

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

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

= - 1 ( 23 -3 ) 2 + 1 ( 22 -3 ) 2

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

= - 1 3 2 + 1 1 2

= -( 1 9 ) + 1

= 8 9


≈ 0,889
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 3 zusammen:
B = 5 + 8 9 = 53 9 ≈ 5.89

Integralanwendungen

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 3 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 4 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 3 und 4:
3 4 2 ( x -2 ) 2 x
= 3 4 2 ( x -2 ) -2 x

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

= [ - 2 x -2 ] 3 4

= - 2 4 -2 + 2 3 -2

= - 2 2 + 2 1

= -2( 1 2 ) +21

= -1 +2

= 1

Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 4 zusammen:
B = 3 + 1 = 4

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 1,6 e 0,2x -0,1 x = 9

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

= [ 8 e 0,2x -0,1 ] 0 u

= 8 e 0,2u -0,1 -8 e 0,20 -0,1

= 8 e 0,2u -0,1 -8 e 0 -0,1

= 8 e 0,2u -0,1 -8 e -0,1

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

8 e 0,2u -0,1 -8 e -0,1 = 9 | +8 e -0,1
8 e 0,2u -0,1 = 8 e -0,1 +9
8 e 0,2u -0,1 = 16,2387 |:8
e 0,2u -0,1 = 2,0298 |ln(⋅)
0,2u -0,1 = ln( 2,0298 )
0,2u -0,1 = 0,7079 | +0,1
0,2u = 0,8079 |:0,2
u = 4,0395

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge eines Wirkstoffs im Blut eines Patienten kann zur Zeit x (in min) näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 6 2x -2 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 3 und Minute 9 .

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 9 -3 3 9 6 2x -2 x
= 1 6 3 9 6 ( 2x -2 ) 1 2 x

= 1 6 [ 2 ( 2x -2 ) 3 2 ] 3 9

= 1 6 [ 2 ( 2x -2 ) 3 ] 3 9

= 1 6 ( 2 ( 29 -2 ) 3 -2 ( 23 -2 ) 3 )

= 1 6 ( 2 ( 18 -2 ) 3 -2 ( 6 -2 ) 3 )

= 1 6 ( 2 ( 16 ) 3 -2 ( 4 ) 3 )

= 1 6 ( 2 4 3 -2 2 3 )

= 1 6 ( 264 -28 )

= 1 6 ( 128 -16 )

= 1 6 · 112

= 56 3


≈ 18,667

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= 2 ( x -2 ) 3 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=4 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 4 u 2 ( x -2 ) 3 x
= 4 u 2 ( x -2 ) -3 x

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

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

= - 1 ( u -2 ) 2 + 1 ( 4 -2 ) 2

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

= - 1 ( u -2 ) 2 + 1 4

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 1 ( u -2 ) 2 + 1 4 0 + 1 4 = 1 4 ≈ 0.25

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.25