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 [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 3 e -2x ) 2 x
= π 0 3 3 e -2x x

= π [ - 3 2 e -2x ] 0 3

= π · ( - 3 2 e -23 + 3 2 e -20 )

= π · ( - 3 2 e -6 + 3 2 e 0 )

= π · ( - 3 2 e -6 + 3 2 )


≈ 4,701

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 [1,3] 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 3 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 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 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( x +1 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 36 ( x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 3 ( -36 ( x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 12 ( x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 12 ( x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

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

= π · ( 12 4 3 -12( 1 27 ) - ( 12 2 3 -121 ) )

= π · ( 12( 1 64 ) - 4 9 - ( 12( 1 8 ) -12 ) )

= π · ( 3 16 - 4 9 - ( 3 2 -12 ) )

= π · ( 27 144 - 64 144 - ( 3 2 - 24 2 ) )

= π · ( - 37 144 -1 · ( - 21 2 ) )

= π · ( - 37 144 + 21 2 )

= π · ( - 37 144 + 1512 144 )

= π · ( - 37 144 + 21 2 )

= π · 1475 144

= 1475 144 π


≈ 32,18

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 e 0,4x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 0,4x -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 2 ( 2 e 0,4x -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 4 e 0,8x -4 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 e 0,8x -10 e 0,4x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,82 -10 e 0,42 +2 - ( 5 e 0,80 -10 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 - ( 5 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 - ( 5 -10 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 +5 )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +7 )


≈ 29,876