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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 soll im Intervall [1,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 1 3 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 1 3

= π · ( 1 6 ( 23 +2 ) 3 - 1 6 ( 21 +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 64 )

= π · ( 256 3 - 32 3 )

= π · 224 3

= 224 3 π


≈ 234,572

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( 2x +2 ) 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 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 8 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( 2x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 64 x 4 - 64 ( 2x +2 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 64 ( 2x +2 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 4 ( -64 ( 2x +2 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 32 3 ( 2x +2 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 4

= π [ 32 3 ( 2x +2 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 32 3 ( 24 +2 ) 3 - 64 3 4 3 - ( 32 3 ( 21 +2 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 32 3 ( 8 +2 ) 3 - 64 3 ( 1 64 ) - ( 32 3 ( 2 +2 ) 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 32 3 10 3 - 1 3 - ( 32 3 4 3 - 64 3 ) )

= π · ( 32 3 ( 1 1000 ) - 1 3 - ( 32 3 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 4 375 - 1 3 - ( 1 6 - 64 3 ) )

= π · ( 4 375 - 125 375 - ( 1 6 - 128 6 ) )

= π · ( - 121 375 -1 · ( - 127 6 ) )

= π · ( - 121 375 + 127 6 )

= π · 5211 250

= 5211 250 π


≈ 65,483

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +12 3x +4 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 6x +12 3x +4 -2 = 6x +12 3x +4 - 2( 3x +4 ) 3x +4
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 1 ( 6x +12 3x +4 - 2( 3x +4 ) 3x +4 ) 2 x

= π 0 1 ( 6x +12 -6x -8 3x +4 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 3x +4 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +4 ) 2 x

= π 0 1 16 ( 3x +4 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 3x +4 ) -2 x

= π [ - 16 3 ( 3x +4 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 3( 3x +4 ) ] 0 1

= π · ( - 16 3( 31 +4 ) + 16 3( 30 +4 ) )

= π · ( - 16 3( 3 +4 ) + 16 3( 0 +4 ) )

= π · ( - 16 3 7 + 16 3 4 )

= π · ( - 16 3 ( 1 7 ) + 16 3 ( 1 4 ) )

= π · ( - 16 21 + 4 3 )

= π · ( - 16 21 + 28 21 )

= π · 4 7

= 4 7 π


≈ 1,795