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)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( 3x +2 ) 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 ( 15 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 15 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 225 x 4 - 225 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 225 ( 3x +2 ) 4 + 225 x 4 ) x
= π 1 2 ( -225 ( 3x +2 ) -4 +225 x -4 ) x

= π [ 25 ( 3x +2 ) -3 -75 x -3 ] 1 2

= π [ 25 ( 3x +2 ) 3 - 75 x 3 ] 1 2

= π · ( 25 ( 32 +2 ) 3 - 75 2 3 - ( 25 ( 31 +2 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 25 ( 6 +2 ) 3 -75( 1 8 ) - ( 25 ( 3 +2 ) 3 -751 ) )

= π · ( 25 8 3 - 75 8 - ( 25 5 3 -75 ) )

= π · ( 25( 1 512 ) - 75 8 - ( 25( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 25 512 - 75 8 - ( 1 5 -75 ) )

= π · ( 25 512 - 4800 512 - ( 1 5 - 375 5 ) )

= π · ( - 4775 512 -1 · ( - 374 5 ) )

= π · ( - 4775 512 + 374 5 )

= π · 167613 2560

= 167613 2560 π


≈ 205,692

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,4x 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 = 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 3 ( e 0,4x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e 0,8x -2 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 4 e 0,8x -5 e 0,4x + x ] 0 3

= π · ( 5 4 e 0,83 -5 e 0,43 +3 - ( 5 4 e 0,80 -5 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 e 0 -5 e 0 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 -5 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 - 20 4 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 + 15 4 )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 + 27 4 )


≈ 12,341