Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x 3 +3x +2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( x 3 +3x +2 ) 2 x
= π 0 2 ( x 3 +3x +2 ) x

= π [ 1 4 x 4 + 3 2 x 2 +2x ] 0 2

= π · ( 1 4 2 4 + 3 2 2 2 +22 - ( 1 4 0 4 + 3 2 0 2 +20 ) )

= π · ( 1 4 16 + 3 2 4 +4 - ( 1 4 0 + 3 2 0 +0) )

= π · ( 4 +6 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 14 +0 )

= π · ( 14 )

= 14π


≈ 43,982

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 4 - 16 ( 3x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( 3x +1 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 2 ( -16 ( 3x +1 ) -4 +16 x -4 ) x

= π [ 16 9 ( 3x +1 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 2

= π [ 16 9 ( 3x +1 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 16 9 ( 32 +1 ) 3 - 16 3 2 3 - ( 16 9 ( 31 +1 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 9 ( 6 +1 ) 3 - 16 3 ( 1 8 ) - ( 16 9 ( 3 +1 ) 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 9 7 3 - 2 3 - ( 16 9 4 3 - 16 3 ) )

= π · ( 16 9 ( 1 343 ) - 2 3 - ( 16 9 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 3087 - 2 3 - ( 1 36 - 16 3 ) )

= π · ( 16 3087 - 2058 3087 - ( 1 36 - 192 36 ) )

= π · ( - 2042 3087 -1 · ( - 191 36 ) )

= π · ( - 2042 3087 + 191 36 )

= π · 19115 4116

= 19115 4116 π


≈ 14,59

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,3x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 3 e 0,3x -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 3 ( 3 e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e 0,6x -6 e 0,3x +1 ) x

= π [ 15 e 0,6x -20 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 15 e 0,63 -20 e 0,33 +3 - ( 15 e 0,60 -20 e 0,30 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 - ( 15 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 - ( 15 -20 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 +5 )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +8 )


≈ 155,674