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Aufgabe:

Sei f(x)=a*x^(3/2), x >=0. Die sogenannte Neilsche Parabel. Berechnen Sie die Länge des Funktionsgraphen von o bis x.


Problem/Ansatz:

Muss ich das ja erst parametrisieren. Wie geht das?

Und danach integrieren

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Muss ich das ja erst parametrisieren. Wie geht das?

Man kann jede Funktion der Form \(x \mapsto f(x)\) als Kurve parametrieren:$$\gamma(x)= \begin{pmatrix} x\\f(x) \end{pmatrix}$$

3 Antworten

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Beste Antwort

Aloha :)

Wir suchen die Kurvenlänge der Funktion$$y(x)=ax^{3/2}\quad;\quad x\ge0$$

Dazu überlegen wir uns zuerst ganz allgemein eine Formel für die Kurvenlänge.

Bei einer Änderung von \(\Delta x\) in x-Richtung ändert sich der Funktionswert um \(\Delta y\) in y-Richtung. Nach Pythagoras gilt dann für die Hypotenuse \(\Delta\ell\) des entstehenden rechtwinkligen Dreiecks:$$(\Delta\ell)^2=(\Delta x)^2+(\Delta y)^2\quad\implies\quad\Delta\ell=\sqrt{1+\left(\frac{\Delta y}{\Delta x}\right)^2}\,\Delta x$$

Machen wir die Änderung \(\Delta x\to0\) nun infinitesimal klein, schmiegt sich die Hypotenuse \(\Delta\ell\) an die Kurve an, beschreibt also die Länge des Kurvenstücks, und aus dem Differenzenquotienten \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\) wird die Ableitung \(y'(x)\). Das heißt:$$d\ell=\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\,dx=\sqrt{1+[y'(x)]^2}\,dx$$

Die Formel für die Kurvenlänge von \(y(x)\) auf dem Intervall \(x\in[\text{hier};\text{dort}]\) ist daher:$$\ell=\int\limits_{x=\text{hier}}^{\text{dort}}\sqrt{1+[y'(x)]^2}\,dx$$

In der Aufgabenstellung hat dein Leerer Mist gebaut, weil die Bezeichung für die obere Grenze des Integrals mit der Integrationsvariablen kollidiert. Daher betrachten wir das Intervall \(x\in[0;b]\) und ersetzen im Ergebnis die obere Grenze \(b\) wieder durch ein \(x\):

$$\ell=\int\limits_0^b\sqrt{1+[y'(x)]^2}dx=\int\limits_0^b\sqrt{1+\left(\frac32ax^{1/2}\right)^2}dx=\int\limits_0^b\left(1+\frac94a^2\,x\right)^{\frac12}dx$$Beim Integrieren haben wir Glück, weil die innere Ableitung der Wurzelfunktion \((\frac94a^2)\) konstant ist:$$\phantom\ell=\left[\frac{\left(1+\frac94a^2\,x\right)^{\frac32}}{\frac32\cdot\frac94a^2}\right]_{x=0}^b=\left[\frac{8}{27a^2}\left(1+\frac94a^2\,x\right)^{\frac32}\right]_{x=0}^b$$$$\phantom\ell=\frac{4^{\frac32}}{27a^2}\left(1+\frac94a^2b\right)^{\frac32}-\frac{8}{27a^2}=\frac{\left(4+9a^2b\right)^{\frac32}-8}{27a^2}$$

Schließlich ersetzen wir noch \(b\) durch \(x\) und erhalten:$$\ell(x)=\frac{\left(4+9a^2x\right)^{\frac32}-8}{27a^2}\quad;\quad x\ge0$$

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Mist gebaut, weil die Bezeichung für die obere Grenze des Integrals mit der Integrationsvariablen kollidiert

Das mag für manche Leute unschön sein, ist aber kein Mist im Sinne von falsch.

Stimmt, falsch ist das nicht, aber Mist ist das trotzdem ;)

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Du musst es nicht parametrisieren.

Funktionsgleichung der Bogenlänge herleiten:

f(x) = a·x^(3/2)

f'(x) = 1.5·a·√x

f'(x)^2 = 2.25·a^2·x

l(x) = √(1 + 2.25·a^2·x)

L(x) = ((9·a^2·x + 4)^(3/2) - 8) / (27·a^2)

Avatar von 489 k 🚀

L(x) = 2/(6.75·a2)·(1 + 2.25·a2·x)^(3/2)   ist zu groß.

L(x) = 2/(6.75·a2)·(1 + 2.25·a2·x)^(3/2)  ist zu groß.

Danke für den Hinweis. Ich hatte nicht die Stammfunktion durch den Ursprung genommen.

Ich habe die Stammfunktion angepasst und dabei noch etwas vereinfacht.

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Hier dir Formel:

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/mathematik-abitur/artikel/berechnung-der-bogenlaenge#

Du kannst die Länge nur in Abhängigkeit von a angeben.

f '(x) = 3/2*a*x^(1/2) = 1,5a*√x

Avatar von 39 k

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