Gabriels horn og omdreiningslegeme

Del 2, alle hjelpemidler

Gabriels horn og omdreiningslegeme

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Figur 1 nedenfor viser grafen til funksjonen f gitt ved

f(x)=1x,x∈[1,a]

Vi dreier grafen til f 360° om x-aksen. Vi får da fram et omdreiningslegeme som vist på figur 2.

Graf av f(x)=1/x og tilhørende omdreiningslegeme (Gabriels horn)

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Bestem volumet V(a) av omdreiningslegemet.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Bestem ∫1af(x)dx. Omdreiningslegemet har overflateareal O(a). Forklar at O(a)>∫1af(x)dx.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Vi lar a→∞. Det omdreiningslegemet vi da får, kalles Gabriels horn.

Bestem lima→∞⁡O(a) og lima→∞⁡V(a) dersom grenseverdiene eksisterer. Kommenter svarene.

Fasit

V(a)=π(1−1a)

∫1af(x)dx=ln⁡a

lima→∞⁡V(a)=π, lima→∞⁡O(a)=∞

LøsningsforslagKI-generert

Volumet av omdreiningslegemet som oppstår når grafen til f dreies 360° om x-aksen på [1,a], er gitt ved

V(a)=π∫1a(f(x))2dx=π∫1a1x2dx

Vi regner ut integralet.

V(a)=π[−1x]1a=π(−1a−(−11))=π(1−1a)

GeoGebra CAS (linje 2 i utklippet) bekrefter ∫1a1t2dt=1−1a.

CAS-utregning av derivert og integraler

Altså er

V(a)=π(1−1a)
∫1af(x)dx=∫1a1xdx=[ln⁡|x|]1a=ln⁡a−ln⁡1=ln⁡a

Dette stemmer med linje 3 i CAS-utklippet, som gir ln⁡|a|.

∫1af(x)dx=ln⁡a

Overflatearealet til omdreiningslegemet er gitt ved formelen

O(a)=2π∫1af(x)⋅1+(f′(x))2dx

Fra CAS-utklippet (linje 1) har vi f′(x)=−1x2, som ikke er null for noen x∈[1,a]. Dermed er (f′(x))2>0, og

1+(f′(x))2>1for alle x∈[1,a]

Siden f(x)>0 på hele intervallet, følger det at

O(a)=2π∫1af(x)⋅1+(f′(x))2dx>2π∫1af(x)dx

Fordi 2π>1 og ∫1af(x)dx>0, er også 2π∫1af(x)dx>∫1af(x)dx. Vi har dermed vist at

O(a)>∫1af(x)dx=ln⁡a

Fra a) har vi V(a)=π(1−1a). Når a→∞, går 1a→0, så

lima→∞⁡V(a)=π(1−0)=π

Volumet av Gabriels horn er altså endelig og lik π volumenheter.

Fra b) vet vi at O(a)>ln⁡a for alle a>1. Når a→∞, går ln⁡a→∞. Siden O(a) er større enn en størrelse som vokser mot uendelig, må også O(a)→∞:

lima→∞⁡O(a)=∞

Overflatearealet av Gabriels horn er altså uendelig.

Kommentar: Dette er det berømte paradokset til Gabriels horn (også kalt «Torricellis trompet»): legemet har et endelig volum (π), men en uendelig stor overflate. Fylles hornet med maling (et endelig volum maling holder), vil malingen i teorien dekke hele den indre overflaten – som er uendelig stor. Man kan altså «fylle» hornet, men aldri «male» det utvendig med en endelig mengde maling. Dette illustrerer at et konvergent integral (∫1∞1x2dx) og et divergent integral (∫1∞1xdx) kan opptre samtidig i samme geometriske figur.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i matematikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt