Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 8 ( 2x +2 ) 2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 0 1 ( 8 ( 2x +2 ) 2 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 64 ( 2x +2 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 1 64 ( 2x +2 ) -4 ⅆ x

= π [ - 32 3 ( 2x +2 ) -3 ] 0 1

= π [ - 32 3 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 32 3 ( 2⋅1 +2 ) 3 + 32 3 ( 2⋅0 +2 ) 3 )

= π · ( - 32 3 ( 2 +2 ) 3 + 32 3 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 32 3⋅ 4 3 + 32 3⋅ 2 3 )

= π · ( - 32 3 ⋅( 1 64 ) + 32 3 ⋅( 1 8 ) )

= π · ( - 1 6 + 4 3 )

= π · ( - 1 6 + 8 6 )

= π · 7 6

= 7 6 π


≈ 3,665

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π [ 2 ( 2x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 2 2x +3 - 4 x ] 1 2

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

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

= π · ( 2 7 -2 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2⋅( 1 7 ) -2 - ( 2⋅( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 7 -2 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2 7 - 14 7 - ( 2 5 - 20 5 ) )

= π · ( - 12 7 -1 · ( - 18 5 ) )

= π · ( - 12 7 + 18 5 )

= π · 66 35

= 66 35 π


≈ 5,924

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,2x 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 0,2x -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 3 ( 3 e 0,2x -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( 9 e 0,4x -6 e 0,2x +1 ) ⅆ x

= π [ 45 2 e 0,4x -30 e 0,2x + x ] 0 3

= π · ( 45 2 e 0,4⋅3 -30 e 0,2⋅3 +3 - ( 45 2 e 0,4⋅0 -30 e 0,2⋅0 +0) )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 +3 - ( 45 2 e 0 -30 e 0 +0) )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 +3 - ( 45 2 -30 +0) )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 +3 - ( 45 2 - 60 2 +0) )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 +3 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 +3 + 15 2 )

= π · ( 45 2 e 1,2 -30 e 0,6 + 21 2 )


≈ 95,941