Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( e -2x ) 2 x
= π 0 2 e -4x x

= π [ - 1 4 e -4x ] 0 2

= π · ( - 1 4 e -42 + 1 4 e -40 )

= π · ( - 1 4 e -8 + 1 4 e 0 )

= π · ( - 1 4 e -8 + 1 4 )


≈ 0,785

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( 2x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 3 ( -16 ( 2x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 8 ( 2x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 8 2x +2 - 16 x ] 1 3

= π · ( 8 23 +2 - 16 3 - ( 8 21 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 8 6 +2 -16( 1 3 ) - ( 8 2 +2 -161 ) )

= π · ( 8 8 - 16 3 - ( 8 4 -16 ) )

= π · ( 8( 1 8 ) - 16 3 - ( 8( 1 4 ) -16 ) )

= π · ( 1 - 16 3 - ( 2 -16 ) )

= π · ( 3 3 - 16 3 -1 · ( -14 ) )

= π · ( - 13 3 +14 )

= π · ( - 13 3 + 42 3 )

= π · ( - 13 3 +14 )

= π · 29 3

= 29 3 π


≈ 30,369

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 3x +2 -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 1 ( 3x +2 -2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x ) 2 x
= π 0 1 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 3 1 3 -3 0 3 )

= π · ( 31 -30 )

= π · ( 3 +0 )

= π · 3

= 3π


≈ 9,425