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Integralanwendungen BF

Beispiel:

Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers lässt sich nährungsweise durch die Funktion f mit f(x)= 2 2x -3 (in m/s, x in Sekunden) beschreiben. Nach 6 s hat er bereits 7 m zurückgelegt. Wie weit ist er nach 14 Sekunden?

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Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 6 und 14:
6 14 2 2x -3 x
= 6 14 2 ( 2x -3 ) 1 2 x

= [ 2 3 ( 2x -3 ) 3 2 ] 6 14

= [ 2 3 ( 2x -3 ) 3 ] 6 14

= 2 3 ( 214 -3 ) 3 - 2 3 ( 26 -3 ) 3

= 2 3 ( 28 -3 ) 3 - 2 3 ( 12 -3 ) 3

= 2 3 ( 25 ) 3 - 2 3 ( 9 ) 3

= 2 3 5 3 - 2 3 3 3

= 2 3 125 - 2 3 27

= 250 3 -18

= 250 3 - 54 3

= 196 3


≈ 65,333
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 6 und der Änderung zwischen 6 und 14 zusammen:
B = 7 + 196 3 = 217 3 ≈ 72.33

Integralanwendungen

Beispiel:

Aus einem Wasserhahn läuft Wasser mit der Auslaufgeschwindigkeit f(x)= 6 e x -2 (in Liter pro Minute) in einen Wassertank. Nach 1 Minuten sind 11 Liter im Tank. Wieviel Liter sind nach 2 Minuten darin?

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Zuerst berechnen wir die Änderung des Bestands zwischen 1 und 2:
1 2 6 e x -2 x

= [ 6 e x -2 ] 1 2

= 6 e 2 -2 -6 e 1 -2

= 6 e 0 -6 e -1

= 6 -6 e -1


≈ 3,793
Der neue Bestand setzt sich aus dem Anfangsbestand bei 1 und der Änderung zwischen 1 und 2 zusammen:
B = 11 + -6 e -1 +6 ≈ 14.79

Integralfunktion - Gleichung

Beispiel:

Bestimme u > 0 so, dass 0 u 2,1 e -0,3x +0,8 x = 4

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0 u 2,1 e -0,3x +0,8 x

= [ -7 e -0,3x +0,8 ] 0 u

= -7 e -0,3u +0,8 +7 e -0,30 +0,8

= -7 e -0,3u +0,8 +7 e 0 +0,8

= -7 e -0,3u +0,8 +7 e 0,8

Diese Integralfunktion soll ja den Wert 4 annehmen, deswegen setzen wir sie gleich :

-7 e -0,3u +0,8 +7 e 0,8 = 4 | -7 e 0,8
-7 e -0,3u +0,8 = -7 e 0,8 +4
-7 e -0,3u +0,8 = -11,5788 |:-7
e -0,3u +0,8 = 1,6541 |ln(⋅)
-0,3u +0,8 = ln( 1,6541 )
-0,3u +0,8 = 0,5033 | -0,8
-0,3u = -0,2967 |:(-0,3 )
u = 0,989

Maximaler Bestand rückwärts

Beispiel:

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(
Die Funktion f mit f(t)= 2 sin( 1 4 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 4 π = 8. Somit ist die fallende Nullstelle nach einer halben Periode bei t = 4.

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 = 4 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 4 2 sin( 1 4 π t ) t

= [ - 2 0,7854 cos( 1 4 π t ) ] 0 4

= - 2 0,7854 cos( 1 4 π · 4 ) + 2 0,7854 cos( 1 4 π · 0)

= - 2 0,7854 cos(π) + 2 0,7854 cos(0)

= - 2 0,7854 ( -1 ) + 2 0,7854 1

= 2,5465 +2,5465

= 5,093


≈ 5,093

Der Zuwachs von Beginn bis zum Zeitpunkts des maximalen Bestands beträgt somit 5,093 m

Wenn der maximale Bestand (Höhe des Fahrstuhls) aber 50 m ist müssen ja zu Beginn bereits 50 m - 5,093 m ≈ 44,907 m vorhanden gewesen sein.

Der Anfangs-Höhe des Fahrstuhls betrug demnach B0 = 44,907 m.

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 -5 (in mg) beschrieben werden. Berechne die mittlere Wirkstoffmenge in mg zwischen Minute 3 und Minute 5.

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Wir berechnen den Mittelwert mit der üblichen Formel:

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

= 1 2 [ 5 3 ln( | 3x -5 | ) ] 3 5

= 1 2 ( 5 3 ln( | 35 -5 | ) - 5 3 ln( | 33 -5 | ) )

= 1 2 ( 5 3 ln( | 15 -5 | ) - 5 3 ln( | 9 -5 | ) )

= 1 2 ( 5 3 ln( 10 ) - 5 3 ln( | 9 -5 | ) )

= 1 2 ( 5 3 ln( 10 ) - 5 3 ln( 4 ) )


≈ 0,764

uneigentliche Integrale

Beispiel:

Der Graph der Funktion f mit f(x)= - 1 ( -3x +4 ) 3 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.


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

= [ - 1 6 ( -3x +4 ) -2 ] 2 u

= [ - 1 6 ( -3x +4 ) 2 ] 2 u

= - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 6 ( -32 +4 ) 2

= - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 6 ( -6 +4 ) 2

= - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 6 ( -2 ) 2

= - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 6 ( 1 4 )

= - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 24

Für u → ∞ gilt: A(u) = - 1 6 ( -3u +4 ) 2 + 1 24 0 + 1 24 = 1 24 ≈ 0.042

Für den Flächeninhalt (immer positiv) gilt also I = 0.042

minimaler + maximaler Bestand (2 Kurven)

Beispiel:

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Bei Beobachtungsbeginn fährt der Radfahrer 2 einige Meter hinter Radfahrer 1 her. In der Abbildung zeigt der blaue Graph die Geschwindigkeit des Radfahrers 1 in Meter pro Sekunde, der rote Graph die Geschwindigkeit der Radfahrers 2 (in m/s). Die x-Achse zeigt die Zeit in Sekunden nach Beobachtungsbeginn. Betrachtet wird nur der Zeitraum zwischen 0 und 10 Sekunden nach Beobachtungsbeginn.
  1. Nach wie vielen Sekunden ist der Vorsprung von Radfahrer1 gegenüber Radfahrer2 am kleinsten?
  2. 4 Sekunden nach Beobachtungsbeginn ist Radfahrer1 ca. 33,7 Meter vor Radfahrer2. Bestimme den Vorsprung von Radfahrer1 auf Radfahrer2 bei Beobachtungsbeginn.
  3. Wie viele Meter ist der Radfahrer1 in den ersten 4 Sekunden gefahren?

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Man erkennt schnell, dass von 0 bis 4 die Geschwindigkeit des 1. Radfahrers über der Geschwindigkeit des 2. Radfahrers liegt, so dass hier der Vorsprung des 1. Radfahrers zunimmt.

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Von 4 bis 8 liegt dann die Geschwindigkeit des 2. Radfahrers über der Geschwindigkeit des 1. Radfahrers, so dass hier der Vorsprung des 1. Radfahrers abnimmt.

Von 8 bis 10 liegt dann wieder die Geschwindigkeit des 1. Radfahrers über der Geschwindigkeit des 2. Radfahrers, so dass hier der Vorsprung des 1. Radfahrers wieder zunimmt.

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

von 8 bis 10: ca. 1.3 Meter

  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 s.

  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;4] kann man einen Zuwachs von ca. 6.7 erkennen.
    Bei Beobachtungsbeginn muss somit der Vorsprung des 1. Radfahrers um 6.7 Meter niedriger als die 33.7 nach 4 s gewesen sein:
    B0 = 33.7 - 6.7 = 27 Meter .

  3. reiner Zuwachs nach 4 s

    Da ja die blaue Kurve der Graph der Zunahme darstellt, müssen wir einfach die Fläche zwischen der blauen Kurve und der x-Achse im Intervall [0;4] ablesen. Diese ist ca. Z4 = 24 Meter .