Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3x -3 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 7 3 s hat er bereits 10 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 19 3 Sekunden?

Lösung einblenden
Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 7 3 und 19 3 :
7 3 19 3 3x -3 x
= 7 3 19 3 ( 3x -3 ) 1 2 x

= [ 2 9 ( 3x -3 ) 3 2 ] 7 3 19 3

= [ 2 9 ( 3x -3 ) 3 ] 7 3 19 3

= 2 9 ( 3( 19 3 ) -3 ) 3 - 2 9 ( 3( 7 3 ) -3 ) 3

= 2 9 ( 19 -3 ) 3 - 2 9 ( 7 -3 ) 3

= 2 9 ( 16 ) 3 - 2 9 ( 4 ) 3

= 2 9 4 3 - 2 9 2 3

= 2 9 64 - 2 9 8

= 128 9 - 16 9

= 112 9


≈ 12,444
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 7 3 und der Änderung zwischen 7 3 und 19 3 zusammen:
B = 10 + 112 9 = 202 9 ≈ 22.44

Integralanwendungen

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 1 3x -7 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 3s hat er bereits 12 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 6 Sekunden?

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Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 3 und 6:
3 6 1 3x -7 x
= 3 6 ( 3x -7 ) -1 x

= [ 1 3 ln( | 3x -7 | ) ] 3 6

= 1 3 ln( | 36 -7 | ) - 1 3 ln( | 33 -7 | )

= 1 3 ln( | 18 -7 | ) - 1 3 ln( | 9 -7 | )

= 1 3 ln( 11 ) - 1 3 ln( | 9 -7 | )

= 1 3 ln( 11 ) - 1 3 ln( 2 )


≈ 0,568
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 3 und der Änderung zwischen 3 und 6 zusammen:
B = 12 + 1 3 ln( | 11 | ) - 1 3 ln( | 2 | ) ≈ 12.57

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 1 so, dass 1 u -6x x = -57,75

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1 u -6x x

= [ -3 x 2 ] 1 u

= -3 u 2 +3 1 2

= -3 u 2 +31

= -3 u 2 +3

Diese Integralfunktion soll ja den Wert -57,75 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-3 u 2 +3 = -57,75 | -3
-3 u 2 = -60,75 |: ( -3 )
u 2 = 20,25 | 2
u1 = - 20,25 = -4,5
u2 = 20,25 = 4,5

Da u= -4,5 < 1 ist u= 4,5 die einzige Lösung.

Mittelwerte

Beispiel:

Die Temperatur an einem Wintertag kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 sin( 3x + π) beschrieben werden. Bestimme die Durchschnittstemperatur zwischen 1 2 π und 3 2 π .

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Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 3 2 π - 1 2 π 1 2 π 3 2 π 3 sin( 3x + π) x

= 1 π [ - cos( 3x + π) ] 1 2 π 3 2 π

= 1 π · ( - cos( 3( 3 2 π ) + π) + cos( 3( 1 2 π ) + π) )

= 1 π · ( - cos( 11 2 π) + cos( 5 2 π) )

= 1 π · ( -0 +0 )

= 0

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Der Graph der Funktion f mit f(x)= - 2 ( 3x -3 ) 2 schließt mit der x-Achse und der Geraden x=3 eine nach rechts offene Fläche ein.
Untersuche, ob der Flächeninhalt endlich ist und bestimme in diesem Fall diesen Flächeninhalt.


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A(u)= 3 u - 2 ( 3x -3 ) 2 x
= 3 u -2 ( 3x -3 ) -2 x

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

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

= 2 3( 3u -3 ) - 2 3( 33 -3 )

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

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

= 2 3( 3u -3 ) - 2 3 ( 1 6 )

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

Für u → ∞ gilt: A(u) = 2 3( 3u -3 ) - 1 9 0 - 1 9 = - 1 9 ≈ -0.111

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.111

Maximaler Bestand rückwärts

Beispiel:

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Die Funktion f mit f(t)= 3 e -0,2t +1 -3 beschreibt die Geschwindigkeit eines Fahrstuhls in einem Wolkenkratzer (f(t) in m/s, t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn). Dabei stehen positive Werte für Geschwindigkeiten nach oben, negative für Geschwindigkeiten nach unten. Ihr Graph ist rechts abgebildet. Die maximale Höhe des Fahrstuhls beträgt im abgebildeten Zeitraum 60 m. Bestimme die Höhe des Fahrstuhls zu Beobachtungsbeginn.

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Der maximale Bestand (Höhe des Fahrstuhls) wird zu dem Zeitpunkt erreicht, an dem die Änderungsrate vom Positiven ins Negative wechselt, also wenn die Zunahme in eine Abnahme übergeht.
Wir suchen also eine Nullstelle von f mit Vorzeichenwechsel + nach -.

3 e -0,2t +1 -3 = 0 | +3
3 e -0,2t +1 = 3 |:3
e -0,2t +1 = 1 |ln(⋅)
-0,2t +1 = 0
-0,2t +1 = 0 | -1
-0,2t = -1 |:(-0,2 )
t = 5

Wir wissen nun, dass zum Zeitpunkt t = 5 der Bestand (Höhe des Fahrstuhls) maximal ist.
Über die Fläche unter der Kurve können wir den gesamten Zuwachs bis zu diesem Zeitpunkt berechnen:

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I = 0 5 ( 3 e -0,2t +1 -3 ) t

= [ -15 e -0,2x +1 -3x ] 0 5

= -15 e -0,25 +1 -35 - ( -15 e -0,20 +1 -30 )

= -15 e -1 +1 -15 - ( -15 e 0 +1 +0)

= -15 e 0 -15 - ( -15 e 1 +0)

= -15 -15 - (-15e+0)

= -30 +15e


≈ 10,774

Der Zuwachs von Beginn bis zum Zeitpunkts des maximalen Bestands beträgt somit 10,774 m

Wenn der maximale Bestand (Höhe des Fahrstuhls) aber 60 m ist müssen ja zu Beginn bereits 60 m - 10,774 m ≈ 49,226 m vorhanden gewesen sein.

Der Anfangs-Höhe des Fahrstuhls betrug demnach B0 = 49,226 m.

minimaler + maximaler Bestand (2 Kurven)

Beispiel:

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Bei einem großen Festival werden die hereinkommenden und die herausgehenden Besucher gemessen. In der Abbildung zeigt der blaue Graph die momentane Eintrittsrate in Hundert Personen pro Stunde, der rote Graph die momentane Austrittssrate (in Hundert Personen pro Stunde). Die x-Achse zeigt die Zeit in Stunden nach Beobachtungsbeginn. Betrachtet wird nur der Zeitraum zwischen 0 und 10 Stunden nach Beobachtungsbeginn.
  1. Nach wie vielen Stunden sind die wenigsten Besucher auf dem Festival-Gelände?
  2. 2 Stunden nach Beobachtungsbeginn sind ca. 29,3 Hundert Personen auf dem Festival-Gelände. Bestimme die Besucherzahl auf dem Festival-Gelände bei Beobachtungsbeginn.

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Man erkennt schnell, dass von 0 bis 4 die Eintrittsrate ins Festival-Gelände über der Austrittssrate aus dem Festival-Gelände liegt, so dass hier die Menge der Besucher auf dem Festival-Gelände zunimmt.

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Von 4 bis 8 liegt dann die Austrittssrate aus dem Festival-Gelände über der Eintrittsrate ins Festival-Gelände, so dass hier die Menge der Besucher auf dem Festival-Gelände abnimmt.

Von 8 bis 10 liegt dann wieder die Eintrittsrate ins Festival-Gelände über der Austrittssrate aus dem Festival-Gelände, so dass hier die Menge der Besucher auf dem Festival-Gelände wieder zunimmt.

Die Werte der Zunahme (bzw. Abnahme) kann man an der Fläche zwischen den Kurven abzählen:
von 0 bis 4: ca. 6.7 Hundert Personen
von 4 bis 8: ca. -1.3 Hundert Personen

von 8 bis 10: ca. 1.3 Hundert Personen

  1. Zeitpunkt des kleinsten Bestands

    Da zwischen 0 und 4 mehr Zuwachs abzulesen ist als die Abnahme zwischen 4 und 8, ist der Zeitpunkt mit dem geringsten Bestand gleich zu Beginn, also bei t = 0 Stunden.

  2. Anfangsbestand

    Die Änderung des Bestands kann man einfach durch die Flächen zwischen dem Kurven ablesen, wobei man hier natürlich die Vorzeichen übernehmen muss. Durch Abzählen der Kästchen der eingeschlossenen Flächen im Interval [0;2] kann man einen Zuwachs von ca. 5.3 erkennen.
    Bei Beobachtungsbeginn muss somit die Menge der Besucher auf dem Festival-Gelände um 5.3 Hundert Personen niedriger als die 29.3 nach 2 Stunden gewesen sein:
    B0 = 29.3 - 5.3 = 24 Hundert Personen .