Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 3 ( 1 +1 ) 3 - 1 3 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 1 )

= π · ( 8 3 - 1 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( x +3 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( x +3 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 ( x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 x +3 - 9 x ] 1 4

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

= π · ( 9 7 -9( 1 4 ) - ( 9 4 -91 ) )

= π · ( 9( 1 7 ) - 9 4 - ( 9( 1 4 ) -9 ) )

= π · ( 9 7 - 9 4 - ( 9 4 -9 ) )

= π · ( 36 28 - 63 28 - ( 9 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 27 28 -1 · ( - 27 4 ) )

= π · ( - 27 28 + 27 4 )

= π · ( - 27 28 + 189 28 )

= π · ( - 27 28 + 27 4 )

= π · 81 14

= 81 14 π


≈ 18,176

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 1

= π · ( 5 2 e 0,41 -10 e 0,21 +1 - ( 5 2 e 0,40 -10 e 0,20 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 +1 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 +1 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 +1 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 +1 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 +1 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 0,4 -10 e 0,2 + 17 2 )


≈ 0,049