Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 4 e 2x -3 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=1 sind 45 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 4 Minuten?

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

= [ 2 e 2x -3 ] 1 4

= 2 e 24 -3 -2 e 21 -3

= 2 e 8 -3 -2 e 2 -3

= 2 e 5 -2 e -1


≈ 296,091
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 4 zusammen:
B = 45 + 2 e 5 -2 e -1 ≈ 341.09

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 4 x -3 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 19 s hat er bereits 11 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 28 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 19 und 28:
19 28 4 x -3 x
= 19 28 4 ( x -3 ) 1 2 x

= [ 8 3 ( x -3 ) 3 2 ] 19 28

= [ 8 3 ( x -3 ) 3 ] 19 28

= 8 3 ( 28 -3 ) 3 - 8 3 ( 19 -3 ) 3

= 8 3 ( 25 ) 3 - 8 3 ( 16 ) 3

= 8 3 5 3 - 8 3 4 3

= 8 3 125 - 8 3 64

= 1000 3 - 512 3

= 488 3


≈ 162,667
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 19 und der Änderung zwischen 19 und 28 zusammen:
B = 11 + 488 3 = 521 3 ≈ 173.67

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 0,6 e 0,6x -0,7 x = 8

Lösung einblenden
0 u 0,6 e 0,6x -0,7 x

= [ e 0,6x -0,7 ] 0 u

= e 0,6u -0,7 - e 0,60 -0,7

= e 0,6u -0,7 - e 0 -0,7

= e 0,6u -0,7 - e -0,7

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 8 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

e 0,6u -0,7 - e -0,7 = 8 | + e -0,7
e 0,6u -0,7 = e -0,7 +8
e 0,6u -0,7 = 8,4966 |ln(⋅)
0,6u -0,7 = ln( 8,4966 )
0,6u -0,7 = 2,1397 | +0,7
0,6u = 2,8397 |:0,6
u = 4,7328

Mittelwerte

Beispiel:

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

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

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

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

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

= 1 4 ( 8 3 + 8 3 )

= 1 4 · 16 3

= 4 3


≈ 1,333

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 1 ( -x +3 ) 3 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=5 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= 5 u - 1 ( -x +3 ) 3 x
= 5 u - ( -x +3 ) -3 x

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

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

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

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

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

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

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 1 2 ( -u +3 ) 2 + 1 8 0 + 1 8 = 1 8 ≈ 0.125

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.125