Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 e -2x soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( 3 e -2x ) 2 x
= π -1 2 9 e -4x x

= π [ - 9 4 e -4x ] -1 2

= π · ( - 9 4 e -42 + 9 4 e -4( -1 ) )

= π · ( - 9 4 e -8 + 9 4 e 4 )

= π · ( 9 4 e 4 - 9 4 e -8 )


≈ 385,929

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 3( 32 +2 ) - 4 2 - ( 4 3( 31 +2 ) - 4 1 ) )

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

= π · ( 4 3 8 -2 - ( 4 3 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 8 ) -2 - ( 4 3 ( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 1 6 -2 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 1 6 - 12 6 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 11 6 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 11 6 + 56 15 )

= π · 19 10

= 19 10 π


≈ 5,969

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +16 2x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 6x +16 2x +4 -3 = 6x +16 2x +4 - 3( 2x +4 ) 2x +4
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 ( 6x +16 2x +4 - 3( 2x +4 ) 2x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 6x +16 -6x -12 2x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 4 2x +4 ) 2 x

= π 0 2 4 2 · 1 ( 2x +4 ) 2 x

= π 0 2 16 ( 2x +4 ) 2 x
= π 0 2 16 ( 2x +4 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 8 2x +4 ] 0 2

= π · ( - 8 22 +4 + 8 20 +4 )

= π · ( - 8 4 +4 + 8 0 +4 )

= π · ( - 8 8 + 8 4 )

= π · ( -8( 1 8 ) +8( 1 4 ) )

= π · ( -1 +2 )

= π · 1

= π


≈ 3,142