Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= e -3x soll im Intervall [1,4] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 1 4 ( e -3x ) 2 x
= π 1 4 e -6x x

= π [ - 1 6 e -6x ] 1 4

= π · ( - 1 6 e -64 + 1 6 e -61 )

= π · ( - 1 6 e -24 + 1 6 e -6 )

= π · ( 1 6 e -6 - 1 6 e -24 )


≈ 0,001

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x und g(x)= 4 x +4 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] 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 4 ( 4 x ) 2 x - π 1 4 ( 4 x +4 ) 2 x

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( x +4 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( x +4 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +4 - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 4 +4 - 16 4 - ( 16 1 +4 - 16 1 ) )

= π · ( 16 8 -16( 1 4 ) - ( 16 5 -161 ) )

= π · ( 16( 1 8 ) -4 - ( 16( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 2 -4 - ( 16 5 -16 ) )

= π · ( -2 - ( 16 5 - 80 5 ) )

= π · ( -2 -1 · ( - 64 5 ) )

= π · ( -2 + 64 5 )

= π · ( - 10 5 + 64 5 )

= π · ( -2 + 64 5 )

= π · 54 5

= 54 5 π


≈ 33,929

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +11 2x +3 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 = 6x +11 2x +3 -3 = 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3
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 ( 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 6x +11 -6x -9 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 4 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 4 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +3 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +3 + 2 20 +3 )

= π · ( - 2 6 +3 + 2 0 +3 )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( -2( 1 9 ) +2( 1 3 ) )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( - 2 9 + 6 9 )

= π · 4 9

= 4 9 π


≈ 1,396