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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 14 ( 2x +1 ) 2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 14 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 196 ( 2x +1 ) 4 x
= π 0 3 196 ( 2x +1 ) -4 x

= π [ - 98 3 ( 2x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 98 3 ( 2x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 98 3 ( 23 +1 ) 3 + 98 3 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( - 98 3 ( 6 +1 ) 3 + 98 3 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 98 3 7 3 + 98 3 1 3 )

= π · ( - 98 3 ( 1 343 ) + 98 3 1 )

= π · ( - 2 21 + 98 3 )

= π · ( - 2 21 + 686 21 )

= π · 228 7

= 228 7 π


≈ 102,326

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 4

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

= π · ( 4 3( 12 +2 ) -4( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +2 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 14 -1 - ( 4 3 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 14 ) -1 - ( 4 3 ( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 21 -1 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 2 21 - 21 21 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 19 21 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 19 21 + 56 15 )

= π · 99 35

= 99 35 π


≈ 8,886

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,3x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 0,3x -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 3 ( e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 5 3 e 0,63 - 20 3 e 0,33 +3 - ( 5 3 e 0,60 - 20 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 +5 )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +8 )


≈ 5,295