Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 ( x -3 ) 3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 5 Minuten sind 12 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 7 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 5 und 7:
5 7 2 ( x -3 ) 3 x
= 5 7 2 ( x -3 ) -3 x

= [ - ( x -3 ) -2 ] 5 7

= [ - 1 ( x -3 ) 2 ] 5 7

= - 1 ( 7 -3 ) 2 + 1 ( 5 -3 ) 2

= - 1 4 2 + 1 2 2

= -( 1 16 ) + 1 4

= 3 16


≈ 0,188
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 5 und der Änderung zwischen 5 und 7 zusammen:
B = 12 + 3 16 = 195 16 ≈ 12.19

Integralanwendungen

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 2 x -3 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 4 Minuten sind 19 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 5 Minuten darin?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 4 und 5:
4 5 2 x -3 x
= 4 5 2 ( x -3 ) -1 x

= [ 2 ln( | x -3 | ) ] 4 5

= 2 ln( | 5 -3 | ) -2 ln( | 4 -3 | )

= 2 ln( 2 ) -2 ln( | 4 -3 | )

= 2 ln( 2 ) -2 ln( 1 )

= 2 ln( 2 ) +0

= 2 ln( 2 )


≈ 1,386
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 4 und der Änderung zwischen 4 und 5 zusammen:
B = 19 + 2 ln( 2 ) ≈ 20.39

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 3 e 0,6x -0,4 x = 20

Lösung einblenden
0 u 3 e 0,6x -0,4 x

= [ 5 e 0,6x -0,4 ] 0 u

= 5 e 0,6u -0,4 -5 e 0,60 -0,4

= 5 e 0,6u -0,4 -5 e 0 -0,4

= 5 e 0,6u -0,4 -5 e -0,4

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 20 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

5 e 0,6u -0,4 -5 e -0,4 = 20 | +5 e -0,4
5 e 0,6u -0,4 = 5 e -0,4 +20
5 e 0,6u -0,4 = 23,3516 |:5
e 0,6u -0,4 = 4,6703 |ln(⋅)
0,6u -0,4 = ln( 4,6703 )
0,6u -0,4 = 1,5412 | +0,4
0,6u = 1,9412 |:0,6
u = 3,2353

Mittelwerte

Beispiel:

Die Menge eines Wirkstoffs im Blut eines Patienten kann zur Zeit x (in min) näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 5 ( 3x -3 ) 2 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 2 und Minute 4.

Lösung einblenden

Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 4 -2 2 4 5 ( 3x -3 ) 2 x

= 1 2 [ 5 9 ( 3x -3 ) 3 ] 2 4

= 1 2 ( 5 9 ( 34 -3 ) 3 - 5 9 ( 32 -3 ) 3 )

= 1 2 ( 5 9 ( 12 -3 ) 3 - 5 9 ( 6 -3 ) 3 )

= 1 2 ( 5 9 9 3 - 5 9 3 3 )

= 1 2 ( 5 9 729 - 5 9 27 )

= 1 2 ( 405 -15 )

= 1 2 · 390

= 195

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Das Schaubild der Funktion f mit f(x)= - 3 2x -6 schließt mit der x-Achse, der Geraden x= 5 und der Geraden x=3 eine nach oben bzw. unten offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


Lösung einblenden
A(u)= u 5 - 3 2x -6 x
= u 5 -3 ( 2x -6 ) - 1 2 x

= [ -3 ( 2x -6 ) 1 2 ] u 5

= [ -3 2x -6 ] u 5

= -3 25 -6 +3 2u -6

= -3 10 -6 +3 2u -6

= -3 4 +3 2u -6

= -32 +3 2u -6

= -6 +3 2u -6

Für u → 3 (u>3, also von rechts) gilt: A(u) = 3 2u -6 -6 0 -6 = -6 ≈ -6

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 6