Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 3 e x -3 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 25 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 3 Minuten?

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

= [ 3 e x -3 ] 0 3

= 3 e 3 -3 -3 e 0 -3

= 3 e 0 -3 e -3

= 3 -3 e -3


≈ 2,851
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 3 zusammen:
B = 25 + -3 e -3 +3 ≈ 27.85

Integralanwendungen

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 5 ( x -2 ) 2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 3 Minuten sind 16 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 3 und 5:
3 5 5 ( x -2 ) 2 x
= 3 5 5 ( x -2 ) -2 x

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

= [ - 5 x -2 ] 3 5

= - 5 5 -2 + 5 3 -2

= - 5 3 + 5 1

= -5( 1 3 ) +51

= - 5 3 +5

= - 5 3 + 15 3

= 10 3


≈ 3,333
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 5 zusammen:
B = 16 + 10 3 = 58 3 ≈ 19.33

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 1 so, dass 1 u ( 6x -5 ) x = 65,25

Lösung einblenden
1 u ( 6x -5 ) x

= [ 3 x 2 -5x ] 1 u

= 3 u 2 -5u - ( 3 1 2 -51 )

= 3 u 2 -5u - ( 31 -5 )

= 3 u 2 -5u - ( 3 -5 )

= 3 u 2 -5u -1 · ( -2 )

= 3 u 2 -5u +2

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 65,25 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

3 u 2 -5u +2 = 65,25 | -65,25

3 u 2 -5u -63,25 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

u1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 3 · ( -63,25 ) 23

u1,2 = +5 ± 25 +759 6

u1,2 = +5 ± 784 6

u1 = 5 + 784 6 = 5 +28 6 = 33 6 = 5,5

u2 = 5 - 784 6 = 5 -28 6 = -23 6 = - 23 6 ≈ -3.83

Da u= - 23 6 < 1 ist u= 5,5 die einzige Lösung.

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge an Wasser in einem Wassertank zur Zeit x (in min) kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 ( 2x -2 ) 3 +6 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 ( 3 ( 2x -2 ) 3 +6 ) x

= 1 2 [ 3 8 ( 2x -2 ) 4 +6x ] 0 2

= 1 2 ( 3 8 ( 22 -2 ) 4 +62 - ( 3 8 ( 20 -2 ) 4 +60 ))

= 1 2 ( 3 8 ( 4 -2 ) 4 +12 - ( 3 8 ( 0 -2 ) 4 +0))

= 1 2 ( 3 8 2 4 +12 - ( 3 8 ( -2 ) 4 +0))

= 1 2 ( 3 8 16 +12 - ( 3 8 16 +0))

= 1 2 ( 6 +12 - ( 6 +0))

= 1 2 ( 18 -6 )

= 1 2 · 12

= 6

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


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

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

= [ 1 -3x +5 ] 2 u

= 1 -3u +5 - 1 -32 +5

= 1 -3u +5 - 1 -6 +5

= 1 -3u +5 - 1 ( -1 )

= 1 -3u +5 - ( -1 )

= 1 -3u +5 +1

Für u → ∞ gilt: A(u) = 1 -3u +5 +1 0 +1 = 1 ≈ 1

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 1