Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 4 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 1 4

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

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

= π · ( 1 6 9 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 729 - 1 6 27 )

= π · ( 243 2 - 9 2 )

= π · 117

= 117π


≈ 367,566

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 3 ( 3x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 3 3x +3 - 9 x ] 1 2

= π · ( 3 32 +3 - 9 2 - ( 3 31 +3 - 9 1 ) )

= π · ( 3 6 +3 -9( 1 2 ) - ( 3 3 +3 -91 ) )

= π · ( 3 9 - 9 2 - ( 3 6 -9 ) )

= π · ( 3( 1 9 ) - 9 2 - ( 3( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 1 3 - 9 2 - ( 1 2 -9 ) )

= π · ( 2 6 - 27 6 - ( 1 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 25 6 -1 · ( - 17 2 ) )

= π · ( - 25 6 + 17 2 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 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 = 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 ( e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e x -2 e 0,5x +1 ) x

= π [ e x -4 e 0,5x + x ] 0 3

= π · ( e 3 -4 e 0,53 +3 - ( e 0 -4 e 0,50 +0) )

= π · ( e 3 -4 e 1,5 +3 - ( 1 -4 e 0 +0) )

= π · ( e 3 -4 e 1,5 +3 - ( 1 -4 +0) )

= π · ( e 3 -4 e 1,5 +3 -1 · ( -3 ) )

= π · ( e 3 -4 e 1,5 +3 +3 )

= π · ( e 3 -4 e 1,5 +6 )


≈ 25,632