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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x 3 +5 x 2 +5 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 3 x 3 +5 x 2 +5 ) 2 x
= π 0 2 ( 3 x 3 +5 x 2 +5 ) x

= π [ 3 4 x 4 + 5 3 x 3 +5x ] 0 2

= π · ( 3 4 2 4 + 5 3 2 3 +52 - ( 3 4 0 4 + 5 3 0 3 +50 ) )

= π · ( 3 4 16 + 5 3 8 +10 - ( 3 4 0 + 5 3 0 +0) )

= π · ( 12 + 40 3 +10 - (0+0+0) )

= π · ( 36 3 + 40 3 + 30 3 +0 )

= π · ( 106 3 )

= 106 3 π


≈ 111,003

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 4

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

= π · ( 4 3 5 3 - 4 3 ( 1 64 ) - ( 4 3 2 3 - 4 3 1 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 125 ) - 1 48 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 4 375 - 1 48 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 64 6000 - 125 6000 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 61 6000 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · ( - 61 6000 + 7000 6000 )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · 2313 2000

= 2313 2000 π


≈ 3,633

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 2 ( 2 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 2 2 · 1 ( 2x +4 ) 4 x

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

= π [ - 2 3 ( 2x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 2 3 ( 2x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 2 3 ( 22 +4 ) 3 + 2 3 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( - 2 3 8 3 + 2 3 4 3 )

= π · ( - 2 3 ( 1 512 ) + 2 3 ( 1 64 ) )

= π · ( - 1 768 + 1 96 )

= π · ( - 1 768 + 8 768 )

= π · 7 768

= 7 768 π


≈ 0,029