Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( 3x +3 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +3 ) 3 ] -1 1

= π · ( 1 9 ( 31 +3 ) 3 - 1 9 ( 3( -1 ) +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 3 +3 ) 3 - 1 9 ( -3 +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 6 3 - 1 9 0 3 )

= π · ( 1 9 216 - 1 9 0 )

= π · ( 24 +0 )

= π · 24

= 24π


≈ 75,398

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x 2 und g(x)= 5 ( 2x +3 ) 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 ( 5 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x 2 ) 2 - ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 4 - 25 ( 2x +3 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +3 ) 4 + 25 x 4 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +3 ) -4 +25 x -4 ) x

= π [ 25 6 ( 2x +3 ) -3 - 25 3 x -3 ] 1 4

= π [ 25 6 ( 2x +3 ) 3 - 25 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 25 6 ( 24 +3 ) 3 - 25 3 4 3 - ( 25 6 ( 21 +3 ) 3 - 25 3 1 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 8 +3 ) 3 - 25 3 ( 1 64 ) - ( 25 6 ( 2 +3 ) 3 - 25 3 1 ) )

= π · ( 25 6 11 3 - 25 192 - ( 25 6 5 3 - 25 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 1 1331 ) - 25 192 - ( 25 6 ( 1 125 ) - 25 3 ) )

= π · ( 25 7986 - 25 192 - ( 1 30 - 25 3 ) )

= π · ( 800 255552 - 33275 255552 - ( 1 30 - 250 30 ) )

= π · ( - 10825 85184 -1 · ( - 83 10 ) )

= π · ( - 10825 85184 + 83 10 )

= π · 3481011 425920

= 3481011 425920 π


≈ 25,676

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 e 0,3x 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 = 2 e 0,3x -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 ( 2 e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 4 e 0,6x -4 e 0,3x +1 ) x

= π [ 20 3 e 0,6x - 40 3 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 20 3 e 0,63 - 40 3 e 0,33 +3 - ( 20 3 e 0,60 - 40 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 +3 - ( 20 3 e 0 - 40 3 e 0 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 +3 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 +3 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 +3 -1 · ( - 20 3 ) )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 +3 + 20 3 )

= π · ( 20 3 e 1,8 - 40 3 e 0,9 + 29 3 )


≈ 54,045