Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +3x +4 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 +3x +4 ) 2 x
= π 0 3 ( 2 x 3 +3x +4 ) x

= π [ 1 2 x 4 + 3 2 x 2 +4x ] 0 3

= π · ( 1 2 3 4 + 3 2 3 2 +43 - ( 1 2 0 4 + 3 2 0 2 +40 ) )

= π · ( 1 2 81 + 3 2 9 +12 - ( 1 2 0 + 3 2 0 +0) )

= π · ( 81 2 + 27 2 +12 - (0+0+0) )

= π · ( 81 2 + 27 2 + 24 2 +0 )

= π · ( 66 )

= 66π


≈ 207,345

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 14 x 2 und g(x)= 14 ( 3x +4 ) 2 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 ( 14 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 14 x 2 ) 2 - ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 196 x 4 - 196 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 196 ( 3x +4 ) 4 + 196 x 4 ) x
= π 1 3 ( -196 ( 3x +4 ) -4 +196 x -4 ) x

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) -3 - 196 3 x -3 ] 1 3

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) 3 - 196 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 196 9 ( 33 +4 ) 3 - 196 3 3 3 - ( 196 9 ( 31 +4 ) 3 - 196 3 1 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 9 +4 ) 3 - 196 3 ( 1 27 ) - ( 196 9 ( 3 +4 ) 3 - 196 3 1 ) )

= π · ( 196 9 13 3 - 196 81 - ( 196 9 7 3 - 196 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 1 2197 ) - 196 81 - ( 196 9 ( 1 343 ) - 196 3 ) )

= π · ( 196 19773 - 196 81 - ( 4 63 - 196 3 ) )

= π · ( 1764 177957 - 430612 177957 - ( 4 63 - 4116 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 -1 · ( - 4112 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 + 4112 63 )

= π · 78304640 1245699

= 78304640 1245699 π


≈ 197,481

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 e 0,4x und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2 e 0,4x -2
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 2 ( 2 e 0,4x -2 ) 2 x

= π 0 2 ( 4 e 0,8x -8 e 0,4x +4 ) x

= π [ 5 e 0,8x -20 e 0,4x +4x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,82 -20 e 0,42 +42 - ( 5 e 0,80 -20 e 0,40 +40 ) )

= π · ( 5 e 1,6 -20 e 0,8 +8 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -20 e 0,8 +8 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -20 e 0,8 +8 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 1,6 -20 e 0,8 +8 +15 )

= π · ( 5 e 1,6 -20 e 0,8 +23 )


≈ 10,224