Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +4x +1 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 2 x 3 +4x +1 ) 2 x
= π 0 3 ( 2 x 3 +4x +1 ) x

= π [ 1 2 x 4 +2 x 2 + x ] 0 3

= π · ( 1 2 3 4 +2 3 2 +3 - ( 1 2 0 4 +2 0 2 +0) )

= π · ( 1 2 81 +29 +3 - ( 1 2 0 +20 +0) )

= π · ( 81 2 +18 +3 - (0+0+0) )

= π · ( 81 2 + 36 2 + 6 2 +0 )

= π · ( 123 2 )

= 123 2 π


≈ 193,208

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 4 - 16 ( x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 16 3 ( x +1 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 4

= π [ 16 3 ( x +1 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 4

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

= π · ( 16 3 5 3 - 16 3 ( 1 64 ) - ( 16 3 2 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 125 ) - 1 12 - ( 16 3 ( 1 8 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 1 12 - ( 2 3 - 16 3 ) )

= π · ( 64 1500 - 125 1500 -1 · ( - 14 3 ) )

= π · ( - 61 1500 + 14 3 )

= π · ( - 61 1500 + 7000 1500 )

= π · 2313 500

= 2313 500 π


≈ 14,533

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,4x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = e 0,4x -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 1 ( e 0,4x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e 0,8x -2 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 4 e 0,8x -5 e 0,4x + x ] 0 1

= π · ( 5 4 e 0,81 -5 e 0,41 +1 - ( 5 4 e 0,80 -5 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 e 0 -5 e 0 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 -5 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 - 20 4 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 + 15 4 )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 + 19 4 )


≈ 0,229