Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x +2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 3 x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) -2 x

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +2 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 3 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 3 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( -3 + 9 2 )

= π · ( - 6 2 + 9 2 )

= π · 3 2

= 3 2 π


≈ 4,712

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( x +3 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,2] 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 2 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 64 x 4 - 64 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 64 ( x +3 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 2 ( -64 ( x +3 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 64 3 ( x +3 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 2

= π [ 64 3 ( x +3 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 64 3 ( 2 +3 ) 3 - 64 3 2 3 - ( 64 3 ( 1 +3 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 64 3 5 3 - 64 3 ( 1 8 ) - ( 64 3 4 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 64 3 ( 1 125 ) - 8 3 - ( 64 3 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 64 375 - 8 3 - ( 1 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 375 - 1000 375 -1 · ( -21 ) )

= π · ( - 312 125 +21 )

= π · ( - 312 125 + 2625 125 )

= π · 2313 125

= 2313 125 π


≈ 58,132

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,5x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 3 e 0,5x -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 3 ( 3 e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e x -6 e 0,5x +1 ) x

= π [ 9 e x -12 e 0,5x + x ] 0 3

= π · ( 9 e 3 -12 e 0,53 +3 - ( 9 e 0 -12 e 0,50 +0) )

= π · ( 9 e 3 -12 e 1,5 +3 - ( 9 -12 e 0 +0) )

= π · ( 9 e 3 -12 e 1,5 +3 - ( 9 -12 +0) )

= π · ( 9 e 3 -12 e 1,5 +3 -1 · ( -3 ) )

= π · ( 9 e 3 -12 e 1,5 +3 +3 )

= π · ( 9 e 3 -12 e 1,5 +6 )


≈ 417,799