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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +1 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 3 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 27 - 1 6 1 )

= π · ( 9 2 - 1 6 )

= π · ( 27 6 - 1 6 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +1 ) 2 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 36 ( 2x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 4 ( -36 ( 2x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 4

= π [ 6 ( 2x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 4

= π · ( 6 ( 24 +1 ) 3 - 12 4 3 - ( 6 ( 21 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 8 +1 ) 3 -12( 1 64 ) - ( 6 ( 2 +1 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 9 3 - 3 16 - ( 6 3 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 729 ) - 3 16 - ( 6( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 2 243 - 3 16 - ( 2 9 -12 ) )

= π · ( 32 3888 - 729 3888 - ( 2 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 697 3888 -1 · ( - 106 9 ) )

= π · ( - 697 3888 + 106 9 )

= π · 45095 3888

= 45095 3888 π


≈ 36,438

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,3x 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 = e 0,3x -1
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 ( e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 5 3 e 0,63 - 20 3 e 0,33 +3 - ( 5 3 e 0,60 - 20 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 +5 )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +8 )


≈ 5,295