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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 2x +3 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +3 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +3 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +3 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +3 ) 3 - 1 6 ( -2 +3 ) 3 )

= π · ( 1 6 7 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 343 - 1 6 1 )

= π · ( 343 6 - 1 6 )

= π · 57

= 57π


≈ 179,071

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

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

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

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

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

= π · ( 196 9 ( 33 +4 ) 3 - 196 3 3 3 - ( 196 9 ( 31 +4 ) 3 - 196 3 1 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 9 +4 ) 3 - 196 3 ( 1 27 ) - ( 196 9 ( 3 +4 ) 3 - 196 3 1 ) )

= π · ( 196 9 13 3 - 196 81 - ( 196 9 7 3 - 196 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 1 2197 ) - 196 81 - ( 196 9 ( 1 343 ) - 196 3 ) )

= π · ( 196 19773 - 196 81 - ( 4 63 - 196 3 ) )

= π · ( 1764 177957 - 430612 177957 - ( 4 63 - 4116 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 -1 · ( - 4112 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 + 4112 63 )

= π · 78304640 1245699

= 78304640 1245699 π


≈ 197,481

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 3 ( x +1 ) 2 +2 -3 ( x +1 ) 2 ( x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 ( x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( x +1 ) 4 x

= π 0 3 4 ( x +1 ) 4 x
= π 0 3 4 ( x +1 ) -4 x

= π [ - 4 3 ( x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 4 3 ( x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 4 3 ( 3 +1 ) 3 + 4 3 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 4 3 4 3 + 4 3 1 3 )

= π · ( - 4 3 ( 1 64 ) + 4 3 1 )

= π · ( - 1 48 + 4 3 )

= π · ( - 1 48 + 64 48 )

= π · 21 16

= 21 16 π


≈ 4,123