Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 5 ( x -1 ) 4 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 2 Minuten sind 16 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 2 und 5:
2 5 5 ( x -1 ) 4 x
= 2 5 5 ( x -1 ) -4 x

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

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

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

= - 5 3 4 3 + 5 3 1 3

= - 5 3 ( 1 64 ) + 5 3 1

= - 5 192 + 5 3

= - 5 192 + 320 192

= 105 64


≈ 1,641
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 5 zusammen:
B = 16 + 105 64 = 1129 64 ≈ 17.64

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 5 ( x -3 ) 2 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 5s hat er bereits 16 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 6 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 5 und 6:
5 6 5 ( x -3 ) 2 x
= 5 6 5 ( x -3 ) -2 x

= [ -5 ( x -3 ) -1 ] 5 6

= [ - 5 x -3 ] 5 6

= - 5 6 -3 + 5 5 -3

= - 5 3 + 5 2

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

= - 5 3 + 5 2

= - 10 6 + 15 6

= 5 6


≈ 0,833
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 5 und der Änderung zwischen 5 und 6 zusammen:
B = 16 + 5 6 = 101 6 ≈ 16.83

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 1 so, dass 1 u ( -6x -1 ) x = -92,25

Lösung einblenden
1 u ( -6x -1 ) x

= [ -3 x 2 - x ] 1 u

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

= -3 u 2 - u - ( -31 -1 )

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

= -3 u 2 - u -1 · ( -4 )

= -3 u 2 - u +4

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -92,25 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-3 u 2 - u +4 = -92,25 | +92,25

-3 u 2 - u +96,25 = 0

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

u1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · ( -3 ) · 96,25 2( -3 )

u1,2 = +1 ± 1 +1155 -6

u1,2 = +1 ± 1156 -6

u1 = 1 + 1156 -6 = 1 +34 -6 = 35 -6 = - 35 6 ≈ -5.83

u2 = 1 - 1156 -6 = 1 -34 -6 = -33 -6 = 5,5

Da u= - 35 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)= e x -1 beschrieben werden. Wieviel Wasser sind während der ersten 4 Minuten durchschnittlich im Tank?

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 4 +0 0 4 e x -1 x

= 1 4 [ e x -1 ] 0 4

= 1 4 ( e 4 -1 - e 0 -1 )

= 1 4 ( e 3 - e -1 )


≈ 4,929

uneigentliche Integrale

Beispiel:

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


Lösung einblenden
A(u)= 0 u - e -3x +4 x

= [ 1 3 e -3x +4 ] 0 u

= 1 3 e -3u +4 - 1 3 e -30 +4

= 1 3 e -3u +4 - 1 3 e 0 +4

= 1 3 e -3u +4 - 1 3 e 4

Für u → ∞ gilt: A(u) = 1 3 e -3u +4 - 1 3 e 4 0 - 1 3 e 4 = - 1 3 e 4 ≈ -18.199

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 18.199