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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 2x +1 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 2x +1 ) 2 x
= π 0 2 16 ( 2x +1 ) 2 x
= π 0 2 16 ( 2x +1 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 8 2x +1 ] 0 2

= π · ( - 8 22 +1 + 8 20 +1 )

= π · ( - 8 4 +1 + 8 0 +1 )

= π · ( - 8 5 + 8 1 )

= π · ( -8( 1 5 ) +81 )

= π · ( - 8 5 +8 )

= π · ( - 8 5 + 40 5 )

= π · 32 5

= 32 5 π


≈ 20,106

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +3 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 3x +3 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 25 ( 3x +3 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 3 ( -25 ( 3x +3 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 3 ( 3x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 3( 3x +3 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 3( 33 +3 ) - 25 3 - ( 25 3( 31 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 9 +3 ) -25( 1 3 ) - ( 25 3( 3 +3 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 12 - 25 3 - ( 25 3 6 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 12 ) - 25 3 - ( 25 3 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 36 - 25 3 - ( 25 18 -25 ) )

= π · ( 25 36 - 300 36 - ( 25 18 - 450 18 ) )

= π · ( - 275 36 -1 · ( - 425 18 ) )

= π · ( - 275 36 + 425 18 )

= π · 575 36

= 575 36 π


≈ 50,178

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 [0,1] 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 1 ( e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 1

= π · ( 5 3 e 0,61 - 20 3 e 0,31 +1 - ( 5 3 e 0,60 - 20 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 +5 )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +6 )


≈ 0,119