Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +4 ) 3 - 1 6 ( 21 +4 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 6 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 216 )

= π · ( 256 3 -36 )

= π · ( 256 3 - 108 3 )

= π · 148 3

= 148 3 π


≈ 154,985

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( x +1 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 6 ( x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 36 x 4 - 36 ( x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 36 ( x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 4 ( -36 ( x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 12 ( x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 4

= π [ 12 ( x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 4

= π · ( 12 ( 4 +1 ) 3 - 12 4 3 - ( 12 ( 1 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 12 5 3 -12( 1 64 ) - ( 12 2 3 -121 ) )

= π · ( 12( 1 125 ) - 3 16 - ( 12( 1 8 ) -12 ) )

= π · ( 12 125 - 3 16 - ( 3 2 -12 ) )

= π · ( 192 2000 - 375 2000 - ( 3 2 - 24 2 ) )

= π · ( - 183 2000 -1 · ( - 21 2 ) )

= π · ( - 183 2000 + 21 2 )

= π · ( - 183 2000 + 21000 2000 )

= π · ( - 183 2000 + 21 2 )

= π · 20817 2000

= 20817 2000 π


≈ 32,699

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e 0,2x -4 e 0,1x +1 ) x

= π [ 20 e 0,2x -40 e 0,1x + x ] 0 1

= π · ( 20 e 0,21 -40 e 0,11 +1 - ( 20 e 0,20 -40 e 0,10 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 - ( 20 e 0 -40 e 0 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 - ( 20 -40 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 -1 · ( -20 ) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 +20 )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +21 )


≈ 3,837