Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= e 3x -7 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 2 Minuten sind 10 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 3 Minuten darin?

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

= [ 1 3 e 3x -7 ] 2 3

= 1 3 e 33 -7 - 1 3 e 32 -7

= 1 3 e 9 -7 - 1 3 e 6 -7

= 1 3 e 2 - 1 3 e -1


≈ 2,34
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 2 und der Änderung zwischen 2 und 3 zusammen:
B = 10 + 1 3 e 2 - 1 3 e -1 ≈ 12.34

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 6 e 3x -5 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=1 sind 22 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 3 Minuten?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 1 und 3:
1 3 6 e 3x -5 x

= [ 2 e 3x -5 ] 1 3

= 2 e 33 -5 -2 e 31 -5

= 2 e 9 -5 -2 e 3 -5

= 2 e 4 -2 e -2


≈ 108,926
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 3 zusammen:
B = 22 + 2 e 4 -2 e -2 ≈ 130.93

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 0,7 e -0,7x +0,5 x = 1

Lösung einblenden
0 u 0,7 e -0,7x +0,5 x

= [ - e -0,7x +0,5 ] 0 u

= - e -0,7u +0,5 + e -0,70 +0,5

= - e -0,7u +0,5 + e 0 +0,5

= - e -0,7u +0,5 + e 0,5

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 1 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

- e -0,7u +0,5 + e 0,5 = 1 | - e 0,5
- e -0,7u +0,5 = - e 0,5 +1
- e -0,7u +0,5 = -0,6487 |:-1
e -0,7u +0,5 = 0,6487 |ln(⋅)
-0,7u +0,5 = ln( 0,6487 )
-0,7u +0,5 = -0,4328 | -0,5
-0,7u = -0,9328 |:(-0,7 )
u = 1,3326

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 ( x -1 ) 2 +4 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 0 und Minute 1.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 1 +0 0 1 ( 6 ( x -1 ) 2 +4 ) x

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

= 2 ( 1 -1 ) 3 +41 - ( 2 ( 0 -1 ) 3 +40 )

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

= 20 +4 - ( 2( -1 ) +0)

= 0 +4 - ( -2 +0)

= 4 +2

= 6

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 1 x -1 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 - 1 x -1 x
= 2 u - ( x -1 ) -1 x

= [ - ln( | x -1 | ) ] 2 u

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

= - ln( | u -1 | ) + ln( 1 )

= - ln( | u -1 | ) +0

= - ln( | x -1 | )

Für u → ∞ gilt: A(u) = - ln( | x -1 | )