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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( 3 e -3x ) 2 x
= π -1 1 9 e -6x x

= π [ - 3 2 e -6x ] -1 1

= π · ( - 3 2 e -61 + 3 2 e -6( -1 ) )

= π · ( - 3 2 e -6 + 3 2 e 6 )

= π · ( 3 2 e 6 - 3 2 e -6 )


≈ 1901,102

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 [1,4] 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 ( 14 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 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 4 ( ( 14 x 2 ) 2 - ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

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

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

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

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

= π · ( 196 9 ( 34 +4 ) 3 - 196 3 4 3 - ( 196 9 ( 31 +4 ) 3 - 196 3 1 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 12 +4 ) 3 - 196 3 ( 1 64 ) - ( 196 9 ( 3 +4 ) 3 - 196 3 1 ) )

= π · ( 196 9 16 3 - 49 48 - ( 196 9 7 3 - 196 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 1 4096 ) - 49 48 - ( 196 9 ( 1 343 ) - 196 3 ) )

= π · ( 49 9216 - 49 48 - ( 4 63 - 196 3 ) )

= π · ( 49 9216 - 9408 9216 - ( 4 63 - 4116 63 ) )

= π · ( - 9359 9216 -1 · ( - 4112 63 ) )

= π · ( - 9359 9216 + 4112 63 )

= π · 460575 7168

= 460575 7168 π


≈ 201,861

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 2 ( 3 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( 2x +2 ) 4 x

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

= π [ - 3 2 ( 2x +2 ) -3 ] 0 2

= π [ - 3 2 ( 2x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 3 2 ( 22 +2 ) 3 + 3 2 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( - 3 2 ( 4 +2 ) 3 + 3 2 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 3 2 6 3 + 3 2 2 3 )

= π · ( - 3 2 ( 1 216 ) + 3 2 ( 1 8 ) )

= π · ( - 1 144 + 3 16 )

= π · ( - 1 144 + 27 144 )

= π · 13 72

= 13 72 π


≈ 0,567