Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 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 ( 4 x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +2 ) -2 x

= π [ -16 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 x +2 ] 0 1

= π · ( - 16 1 +2 + 16 0 +2 )

= π · ( - 16 3 + 16 2 )

= π · ( -16( 1 3 ) +16( 1 2 ) )

= π · ( - 16 3 +8 )

= π · ( - 16 3 + 24 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +4 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +4 - 4 3 - ( 2 21 +4 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +4 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +4 -41 ) )

= π · ( 2 10 - 4 3 - ( 2 6 -4 ) )

= π · ( 2( 1 10 ) - 4 3 - ( 2( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 1 5 - 4 3 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 3 15 - 20 15 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 17 15 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 17 15 + 11 3 )

= π · 38 15

= 38 15 π


≈ 7,959

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 [0,1] 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 = 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 1 ( 3 e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( 9 e x -6 e 0,5x +1 ) x

= π [ 9 e x -12 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( 9e -12 e 0,51 +1 - ( 9 e 0 -12 e 0,50 +0) )

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

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

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

= π · ( -12 e 0,5 +1 +9e +3 )

= π · ( -12 e 0,5 +4 +9e )


≈ 27,269