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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 0 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] -1 0

= π · ( 1 6 ( 20 +1 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 1 3 - 1 6 ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 6 1 - 1 6 ( -1 ) )

= π · ( 1 6 + 1 6 )

= π · 1 3

= 1 3 π


≈ 1,047

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x 2 und g(x)= 5 ( x +4 ) 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 ( 5 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 5 ( x +4 ) 2 ) 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 ) 2 - ( 5 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 4 - 25 ( x +4 ) 4 ) x

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

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

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

= π · ( 25 3 ( 4 +4 ) 3 - 25 3 4 3 - ( 25 3 ( 1 +4 ) 3 - 25 3 1 3 ) )

= π · ( 25 3 8 3 - 25 3 ( 1 64 ) - ( 25 3 5 3 - 25 3 1 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 512 ) - 25 192 - ( 25 3 ( 1 125 ) - 25 3 ) )

= π · ( 25 1536 - 25 192 - ( 1 15 - 25 3 ) )

= π · ( 25 1536 - 200 1536 - ( 1 15 - 125 15 ) )

= π · ( - 175 1536 -1 · ( - 124 15 ) )

= π · ( - 175 1536 + 124 15 )

= π · ( - 875 7680 + 63488 7680 )

= π · ( - 175 1536 + 124 15 )

= π · 20871 2560

= 20871 2560 π


≈ 25,613

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,2x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 0,2x -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 2 ( e 0,2x -1 ) 2 x

= π 0 2 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 2

= π · ( 5 2 e 0,42 -10 e 0,22 +2 - ( 5 2 e 0,40 -10 e 0,20 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 + 19 2 )


≈ 0,457