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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 120 ( 3x +4 ) 2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 120 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 14400 ( 3x +4 ) 4 x
= π 0 2 14400 ( 3x +4 ) -4 x

= π [ -1600 ( 3x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1600 ( 3x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 1600 ( 32 +4 ) 3 + 1600 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 1600 ( 6 +4 ) 3 + 1600 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1600 10 3 + 1600 4 3 )

= π · ( -1600( 1 1000 ) +1600( 1 64 ) )

= π · ( - 8 5 +25 )

= π · ( - 8 5 + 125 5 )

= π · 117 5

= 117 5 π


≈ 73,513

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +3 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] um die x-Achse und erzeugt somit einen Drehkörper.
Berechne das Volumen dieses Drehkörpers.

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Den so entstandenen Rotationskörper kann man sich vorstellen als Rotationskörper, der durch Rotation der Fläche unter dem Graph von f entsteht, und aus dem der Rotationskörper, der durch Rotation der Fläche unter dem Graph von g entsteht, herausgefräst wird. Dadurch ergibt sich für solch einen Rotationskörper die Formel:

V = π 1 4 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 2x +3 ) 2 x

Da die beiden Integrale die gleichen Grenzen haben, kann man auch die beiden Summanden in ein Integral schreiben:

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +3 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +3 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 2( 2x +3 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 2( 24 +3 ) - 25 4 - ( 25 2( 21 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 8 +3 ) -25( 1 4 ) - ( 25 2( 2 +3 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 11 - 25 4 - ( 25 2 5 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 11 ) - 25 4 - ( 25 2 ( 1 5 ) -25 ) )

= π · ( 25 22 - 25 4 - ( 5 2 -25 ) )

= π · ( 50 44 - 275 44 - ( 5 2 - 50 2 ) )

= π · ( - 225 44 -1 · ( - 45 2 ) )

= π · ( - 225 44 + 45 2 )

= π · 765 44

= 765 44 π


≈ 54,621

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 2x +1 ) 2 +2 ( 2x +1 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 1 (nicht um die x-Achse).
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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Die Fläche zwischen dem Graph von f und der Geraden y = 1 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-1 = ( 2x +1 ) 2 +2 ( 2x +1 ) 2 -1 = ( 2x +1 ) 2 +2 ( 2x +1 ) 2 - ( 2x +1 ) 2 ( 2x +1 ) 2
und der x-Achse (rechtes Schaubild).

Dementsprechend ist auch der gesuchte Rotationskörper der gleiche, wie wenn man die Fläche unter der Differenzfunktion (rechtes Schaubild) um die x-Achse rotieren lassen würde. Dadurch ergibt sich für das Volumen:

V = π 0 3 ( ( 2x +1 ) 2 +2 ( 2x +1 ) 2 - ( 2x +1 ) 2 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( ( 2x +1 ) 2 +2 - ( 2x +1 ) 2 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( 2x +1 ) 4 x

= π 0 3 4 ( 2x +1 ) 4 x
= π 0 3 4 ( 2x +1 ) -4 x

= π [ - 2 3 ( 2x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 2 3 ( 2x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 2 3 ( 23 +1 ) 3 + 2 3 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( - 2 3 ( 6 +1 ) 3 + 2 3 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 2 3 7 3 + 2 3 1 3 )

= π · ( - 2 3 ( 1 343 ) + 2 3 1 )

= π · ( - 2 1029 + 2 3 )

= π · ( - 2 1029 + 686 1029 )

= π · 228 343

= 228 343 π


≈ 2,088