Aufgabenbeispiele von Anwendungen

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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 3 x -2 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 18 s hat er bereits 12 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 27 Sekunden?

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Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 18 und 27:
18 27 3 x -2 x
= 18 27 3 ( x -2 ) 1 2 x

= [ 2 ( x -2 ) 3 2 ] 18 27

= [ 2 ( x -2 ) 3 ] 18 27

= 2 ( 27 -2 ) 3 -2 ( 18 -2 ) 3

= 2 ( 25 ) 3 -2 ( 16 ) 3

= 2 5 3 -2 4 3

= 2125 -264

= 250 -128

= 122

Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 18 und der Änderung zwischen 18 und 27 zusammen:
B = 12 + 122 = 134

Integralanwendungen

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von einer Wachstumsrate von 6 e 2x -4 Bakterien pro Minute zur Zeit x (in Minuten) aus. Zu Zeitpunkt x=0 sind 37 Bakterien vorhanden. Wie viele sind es nach 3 Minuten?

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Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 0 und 3:
0 3 6 e 2x -4 x

= [ 3 e 2x -4 ] 0 3

= 3 e 23 -4 -3 e 20 -4

= 3 e 6 -4 -3 e 0 -4

= 3 e 2 -3 e -4


≈ 22,112
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 0 und der Änderung zwischen 0 und 3 zusammen:
B = 37 + 3 e 2 -3 e -4 ≈ 59.11

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 0,7 e 0,1x -0,9 x = 14

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0 u 0,7 e 0,1x -0,9 x

= [ 7 e 0,1x -0,9 ] 0 u

= 7 e 0,1u -0,9 -7 e 0,10 -0,9

= 7 e 0,1u -0,9 -7 e 0 -0,9

= 7 e 0,1u -0,9 -7 e -0,9

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 14 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

7 e 0,1u -0,9 -7 e -0,9 = 14 | +7 e -0,9
7 e 0,1u -0,9 = 7 e -0,9 +14
7 e 0,1u -0,9 = 16,846 |:7
e 0,1u -0,9 = 2,4066 |ln(⋅)
0,1u -0,9 = ln( 2,4066 )
0,1u -0,9 = 0,8782 | +0,9
0,1u = 1,7782 |:0,1
u = 17,782

Mittelwerte

Beispiel:

Die Temperatur an einem Wintertag kann näherungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 2 cos( 2x + 1 2 π) beschrieben werden. Bestimme die Durchschnittstemperatur zwischen 0 und 1 2 π .

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Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

m = 1 1 2 π+0 0 1 2 π 2 cos( 2x + 1 2 π) x

= 2 π [ sin( 2x + 1 2 π) ] 0 1 2 π

= 2 π · ( sin( 2( 1 2 π ) + 1 2 π) - sin( 2( 0 ) + 1 2 π) )

= 2 π · ( sin( 3 2 π) - sin( 1 2 π) )

= 2 π · ( -1 - 1 )

= 2 -1 -1 π

= 2 -2 π

= - 4 π


≈ -1,273

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Der Graph der Funktion f mit f(x)= 3 2x -6 schließt mit der x-Achse, der Geraden x= 7,5 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.


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A(u)= u 7,5 3 2x -6 x
= u 7,5 3 ( 2x -6 ) - 1 2 x

= [ 3 ( 2x -6 ) 1 2 ] u 7,5

= [ 3 2x -6 ] u 7,5

= 3 27,5 -6 -3 2u -6

= 3 15 -6 -3 2u -6

= 3 9 -3 2u -6

= 33 -3 2u -6

= 9 -3 2u -6

Für u → 3 (u>3, also von rechts) gilt: A(u) = -3 2u -6 +9 0 +9 = 9 ≈ 9

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 9

Maximaler Bestand rückwärts

Beispiel:

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Die Funktion f mit f(t)= 5 sin( 1 10 π t ) 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 50 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 -.

Wir wissen, dass bei der Sinus-Funktion die fallende Nullstelle nach einer halben Periode ist.
Die Periode von f ist p = 2π 1 10 π = 20. Somit ist die fallende Nullstelle nach einer halben Periode bei t = 10.

Da beim Sinus die Teilflächen über und unter der x-Achse gleich groß sind, wird dieser maximale Bestand zwar noch zu anderen Zeitpunkten erreicht, aber nie übertroffen.

Wir wissen nun, dass zum Zeitpunkt t = 10 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 10 5 sin( 1 10 π t ) t

= [ - 5 0,3142 cos( 1 10 π t ) ] 0 10

= - 5 0,3142 cos( 1 10 π · 10 ) + 5 0,3142 cos( 1 10 π · 0)

= - 5 0,3142 cos(π) + 5 0,3142 cos(0)

= - 5 0,3142 ( -1 ) + 5 0,3142 1

= 15,9155 +15,9155

= 31,831


≈ 31,831

Der Zuwachs von Beginn bis zum Zeitpunkts des maximalen Bestands beträgt somit 31,831 m

Wenn der maximale Bestand (Höhe des Fahrstuhls) aber 50 m ist müssen ja zu Beginn bereits 50 m - 31,831 m ≈ 18,169 m vorhanden gewesen sein.

Der Anfangs-Höhe des Fahrstuhls betrug demnach B0 = 18,169 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. Die geringste Besucherzahl auf dem Festival-Gelände im abgebildeten Zeitraum sind ca. 18,1 Hundert Personen. Bestimme die Besucherzahl auf dem Festival-Gelände bei Beobachtungsbeginn.

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Man erkennt schnell, dass von 0 bis 1 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 1 bis 7 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 7 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 1: ca. 1.1 Hundert Personen
von 1 bis 7: ca. -12 Hundert Personen

  1. Zeitpunkt des kleinsten Bestands

    Da zwischen 0 und 1 weniger Zuwachs abzulesen ist als die Abnahme zwischen 1 und 7, ist der Zeitpunkt mit dem geringsten Bestand wenn die Zuwachsrate wieder größer wird als die Abnahmerate, also bei t = 7 Stunden.

  2. Anfangsbestand

    Da die Menge der Besucher auf dem Festival-Gelände zwischen t = 0 und seinem Tiefstand bei t = 7 (bevor es danach wieder zunimmt) erst 1.1 Hundert Personen zu- und dann wieder 12 Hundert Personen abgenommen hat, also insgesamt um |1.1-12| = 10.9 Hundert Personen weniger wurde, muss es beim Beobachtungsbeginn t = 0 bereits 18.1+10.9 = 29 Hundert Personen betragen haben.