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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 4 x +4 ) 2 x
= π 0 2 16 ( x +4 ) 2 x
= π 0 2 16 ( x +4 ) -2 x

= π [ -16 ( x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 16 x +4 ] 0 2

= π · ( - 16 2 +4 + 16 0 +4 )

= π · ( - 16 6 + 16 4 )

= π · ( -16( 1 6 ) +16( 1 4 ) )

= π · ( - 8 3 +4 )

= π · ( - 8 3 + 12 3 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 14 x 2 und g(x)= 14 ( 3x +4 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,2] 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 2 ( 14 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 14 x 2 ) 2 - ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 196 x 4 - 196 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 196 ( 3x +4 ) 4 + 196 x 4 ) x
= π 1 2 ( -196 ( 3x +4 ) -4 +196 x -4 ) x

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) -3 - 196 3 x -3 ] 1 2

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) 3 - 196 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 196 9 ( 32 +4 ) 3 - 196 3 2 3 - ( 196 9 ( 31 +4 ) 3 - 196 3 1 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 6 +4 ) 3 - 196 3 ( 1 8 ) - ( 196 9 ( 3 +4 ) 3 - 196 3 1 ) )

= π · ( 196 9 10 3 - 49 6 - ( 196 9 7 3 - 196 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 1 1000 ) - 49 6 - ( 196 9 ( 1 343 ) - 196 3 ) )

= π · ( 49 2250 - 49 6 - ( 4 63 - 196 3 ) )

= π · ( 49 2250 - 18375 2250 - ( 4 63 - 4116 63 ) )

= π · ( - 9163 1125 -1 · ( - 4112 63 ) )

= π · ( - 9163 1125 + 4112 63 )

= π · 149953 2625

= 149953 2625 π


≈ 179,463

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +13 2x +4 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 +13 2x +4 -2 = 4x +13 2x +4 - 2( 2x +4 ) 2x +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 3 ( 4x +13 2x +4 - 2( 2x +4 ) 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 4x +13 -4x -8 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 25 ( 2x +4 ) 2 x
= π 0 3 25 ( 2x +4 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 2( 2x +4 ) ] 0 3

= π · ( - 25 2( 23 +4 ) + 25 2( 20 +4 ) )

= π · ( - 25 2( 6 +4 ) + 25 2( 0 +4 ) )

= π · ( - 25 2 10 + 25 2 4 )

= π · ( - 25 2 ( 1 10 ) + 25 2 ( 1 4 ) )

= π · ( - 5 4 + 25 8 )

= π · ( - 10 8 + 25 8 )

= π · 15 8

= 15 8 π


≈ 5,89