Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 1 ( 2x -3 ) 2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 2 Minuten sind 19 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 4 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 2 und 4:
2 4 1 ( 2x -3 ) 2 x
= 2 4 ( 2x -3 ) -2 x

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

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

= - 1 2( 24 -3 ) + 1 2( 22 -3 )

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

= - 1 2 5 + 1 2

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

= - 1 10 + 1 2

= - 1 10 + 5 10

= 2 5


= 0,4
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 4 zusammen:
B = 19 + 2 5 = 97 5 ≈ 19.4

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 5 e 3x -7 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 31 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 2 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 2:
0 2 5 e 3x -7 x

= [ 5 3 e 3x -7 ] 0 2

= 5 3 e 32 -7 - 5 3 e 30 -7

= 5 3 e 6 -7 - 5 3 e 0 -7

= 5 3 e -1 - 5 3 e -7


≈ 0,612
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 2 zusammen:
B = 31 + 5 3 e -1 - 5 3 e -7 ≈ 31.61

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u ( -2x +3 ) x = -10

Lösung einblenden
0 u ( -2x +3 ) x

= [ - x 2 +3x ] 0 u

= - u 2 +3u - ( - 0 2 +30 )

= - u 2 +3u - ( -0 +0)

= - u 2 +3u

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -10 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

- u 2 +3u = -10 | +10

- u 2 +3u +10 = 0

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

u1,2 = -3 ± 3 2 -4 · ( -1 ) · 10 2( -1 )

u1,2 = -3 ± 9 +40 -2

u1,2 = -3 ± 49 -2

u1 = -3 + 49 -2 = -3 +7 -2 = 4 -2 = -2

u2 = -3 - 49 -2 = -3 -7 -2 = -10 -2 = 5

Da u= -2 < 0 ist u= 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)= 2 ( x -2 ) 3 +5x (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 1 und Minute 2.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

= 1 [ 1 2 ( x -2 ) 4 + 5 2 x 2 ] 1 2

= 1 2 ( 2 -2 ) 4 + 5 2 2 2 - ( 1 2 ( 1 -2 ) 4 + 5 2 1 2 )

= 1 2 0 4 + 5 2 4 - ( 1 2 ( -1 ) 4 + 5 2 1 )

= 1 2 0 +10 - ( 1 2 1 + 5 2 )

= 0 +10 - ( 1 2 + 5 2 )

= 10 - ( 0,5 +2,5 )

= 10 -1 · 3

= 10 -3

= 7

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 2 ( -3x +3 ) 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 - 2 ( -3x +3 ) 2 x
= 2 u -2 ( -3x +3 ) -2 x

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

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

= - 2 3( -3u +3 ) + 2 3( -32 +3 )

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

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

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

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

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 2 3( -3u +3 ) - 2 9 0 - 2 9 = - 2 9 ≈ -0.222

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.222