Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 3x +4 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 2 3x +4 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 3x +4 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 3x +4 ) -2 x

= π [ - 4 3 ( 3x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 4 3( 3x +4 ) ] 0 2

= π · ( - 4 3( 32 +4 ) + 4 3( 30 +4 ) )

= π · ( - 4 3( 6 +4 ) + 4 3( 0 +4 ) )

= π · ( - 4 3 10 + 4 3 4 )

= π · ( - 4 3 ( 1 10 ) + 4 3 ( 1 4 ) )

= π · ( - 2 15 + 1 3 )

= π · ( - 2 15 + 5 15 )

= π · 1 5

= 1 5 π


≈ 0,628

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 16 ( x +3 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +3 - 16 x ] 1 4

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

= π · ( 16 7 -16( 1 4 ) - ( 16 4 -161 ) )

= π · ( 16( 1 7 ) -4 - ( 16( 1 4 ) -16 ) )

= π · ( 16 7 -4 - ( 4 -16 ) )

= π · ( 16 7 - 28 7 -1 · ( -12 ) )

= π · ( - 12 7 +12 )

= π · ( - 12 7 + 84 7 )

= π · 72 7

= 72 7 π


≈ 32,314

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 e 0,4x und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2 e 0,4x -2
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 ( 2 e 0,4x -2 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 e 0,8x -8 e 0,4x +4 ) x

= π [ 5 e 0,8x -20 e 0,4x +4x ] 0 1

= π · ( 5 e 0,81 -20 e 0,41 +41 - ( 5 e 0,80 -20 e 0,40 +40 ) )

= π · ( 5 e 0,8 -20 e 0,4 +4 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,8 -20 e 0,4 +4 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,8 -20 e 0,4 +4 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,8 -20 e 0,4 +4 +15 )

= π · ( 5 e 0,8 -20 e 0,4 +19 )


≈ 0,915