Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 0 ( 3 e -3x ) 2 x
= π -1 0 9 e -6x x

= π [ - 3 2 e -6x ] -1 0

= π · ( - 3 2 e -60 + 3 2 e -6( -1 ) )

= π · ( - 3 2 e 0 + 3 2 e 6 )

= π · ( - 3 2 + 3 2 e 6 )

= π · ( 3 2 e 6 - 3 2 )


≈ 1896,401

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 4 ( x +1 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 4 x +1 - 4 x ] 1 3

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

= π · ( 4 4 -4( 1 3 ) - ( 4 2 -41 ) )

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

= π · ( 1 - 4 3 - ( 2 -4 ) )

= π · ( 3 3 - 4 3 -1 · ( -2 ) )

= π · ( - 1 3 +2 )

= π · ( - 1 3 + 6 3 )

= π · 5 3

= 5 3 π


≈ 5,236

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e x -4 e 0,5x +1 ) x

= π [ 4 e x -8 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( 4e -8 e 0,51 +1 - ( 4 e 0 -8 e 0,50 +0) )

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

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

= π · ( -8 e 0,5 +1 +4e -1 · ( -4 ) )

= π · ( -8 e 0,5 +1 +4e +4 )

= π · ( -8 e 0,5 +5 +4e )


≈ 8,43