Integrale mit ln
AFB I–IIGegeben ist \(f(x)=\dfrac2x+1\) für \(x\neq0\).
- Geben Sie eine Stammfunktion von \(f\) für \(x>0\) an.
- Berechnen Sie \(\int_1^5 f(x)\,\mathrm dx\) exakt und auf drei Nachkommastellen.
- Zeigen Sie, dass \(F(x)=2\ln|x|+x\) auch für \(x<0\) Stammfunktion von \(f\) ist.
- Ermitteln Sie \(\int_{-3}^{-1}f(x)\,\mathrm dx\) und deuten Sie das Vorzeichen am Graphen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(F(x)=2\ln x+x\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\((2\ln5+5)-(0+1)=2\ln5+4\approx7{,}219\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(F(x)=2\ln(-x)+x\Rightarrow F'(x)=2\cdot\tfrac{-1}{-x}+1=\tfrac2x+1\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\((2\ln1-1)-(2\ln3-3)=2-2\ln3\approx-0{,}197\). Auf \([-3;-2]\) liegt der Graph über der Achse, auf \([-2;-1]\) darunter; der untere Teil ist etwas größer.
Gas dehnt sich aus
AFB II–IIIEin Gas wird bei gleichbleibender Temperatur ausgedehnt. Für den Druck gilt \(p(V)=\dfrac{200}{V}\) (\(p\) in Pa, \(V\) in m³). Die dabei vom Gas übertragene Energie ist \(W=\int_{V_1}^{V_2}p(V)\,\mathrm dV\) in Joule.
- Bestimmen Sie \(W\) für eine Ausdehnung von 0,01 m³ auf 0,04 m³.
- Begründen Sie, dass jede Verdopplung des Volumens dieselbe Energie liefert, unabhängig vom Startvolumen.
- Ermitteln Sie das Endvolumen, bei dem ab 0,01 m³ genau 400 J übertragen sind.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Verzehnfacht man das Volumen statt es zu verdoppeln, erhält man fünfmal so viel Energie.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(W=200(\ln0{,}04-\ln0{,}01)=200\ln4\approx277\,\mathrm J\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(200(\ln(2V)-\ln V)=200\ln2\approx138{,}6\,\mathrm J\) — \(V\) kürzt sich heraus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ln\tfrac V{0{,}01}=2\Rightarrow V=0{,}01e^2\approx0{,}074\,\mathrm{m^3}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Verzehnfachen: \(200\ln10\approx460{,}5\,\mathrm J\), Verdoppeln: \(138{,}6\,\mathrm J\). Das ist nur etwa das 3,3-Fache, denn \(\ln10\approx2{,}30\) und \(\ln2\approx0{,}69\). Die Aussage ist falsch; die Energie wächst nur logarithmisch mit dem Volumenverhältnis.
