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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 3 ( 3 2x +4 ) 2 x
= π 0 3 9 ( 2x +4 ) 2 x
= π 0 3 9 ( 2x +4 ) -2 x

= π [ - 9 2 ( 2x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 9 2( 2x +4 ) ] 0 3

= π · ( - 9 2( 23 +4 ) + 9 2( 20 +4 ) )

= π · ( - 9 2( 6 +4 ) + 9 2( 0 +4 ) )

= π · ( - 9 2 10 + 9 2 4 )

= π · ( - 9 2 ( 1 10 ) + 9 2 ( 1 4 ) )

= π · ( - 9 20 + 9 8 )

= π · ( - 18 40 + 45 40 )

= π · 27 40

= 27 40 π


≈ 2,121

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 10 ( 3x +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 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 4 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 4

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 100 9 ( 34 +2 ) 3 - 100 3 4 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 12 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 64 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 14 3 - 25 48 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 2744 ) - 25 48 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 25 6174 - 25 48 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 200 49392 - 25725 49392 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 25525 49392 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 25525 49392 + 1496 45 )

= π · 898047 27440

= 898047 27440 π


≈ 102,817

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +9 2x +2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 4x +9 2x +2 -2 = 4x +9 2x +2 - 2( 2x +2 ) 2x +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 ( 4x +9 2x +2 - 2( 2x +2 ) 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 4x +9 -4x -4 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 25 ( 2x +2 ) 2 x
= π 0 3 25 ( 2x +2 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 2( 2x +2 ) ] 0 3

= π · ( - 25 2( 23 +2 ) + 25 2( 20 +2 ) )

= π · ( - 25 2( 6 +2 ) + 25 2( 0 +2 ) )

= π · ( - 25 2 8 + 25 2 2 )

= π · ( - 25 2 ( 1 8 ) + 25 2 ( 1 2 ) )

= π · ( - 25 16 + 25 4 )

= π · ( - 25 16 + 100 16 )

= π · 75 16

= 75 16 π


≈ 14,726