Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -2x 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 e -2x ) 2 x
= π 0 2 2 e -2x x

= π [ - e -2x ] 0 2

= π · ( - e -22 + e -20 )

= π · ( - e -4 + e 0 )

= π · ( - e -4 +1 )


≈ 3,084

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 14 x 2 und g(x)= 14 ( 3x +4 ) 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 ( 14 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 14 x 2 ) 2 - ( 14 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 196 x 4 - 196 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 196 ( 3x +4 ) 4 + 196 x 4 ) x
= π 1 3 ( -196 ( 3x +4 ) -4 +196 x -4 ) x

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) -3 - 196 3 x -3 ] 1 3

= π [ 196 9 ( 3x +4 ) 3 - 196 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 196 9 ( 33 +4 ) 3 - 196 3 3 3 - ( 196 9 ( 31 +4 ) 3 - 196 3 1 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 9 +4 ) 3 - 196 3 ( 1 27 ) - ( 196 9 ( 3 +4 ) 3 - 196 3 1 ) )

= π · ( 196 9 13 3 - 196 81 - ( 196 9 7 3 - 196 3 ) )

= π · ( 196 9 ( 1 2197 ) - 196 81 - ( 196 9 ( 1 343 ) - 196 3 ) )

= π · ( 196 19773 - 196 81 - ( 4 63 - 196 3 ) )

= π · ( 1764 177957 - 430612 177957 - ( 4 63 - 4116 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 -1 · ( - 4112 63 ) )

= π · ( - 428848 177957 + 4112 63 )

= π · 78304640 1245699

= 78304640 1245699 π


≈ 197,481

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,5x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 0,5x -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 1 ( 3 e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( 9 e x -6 e 0,5x +1 ) x

= π [ 9 e x -12 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( 9e -12 e 0,51 +1 - ( 9 e 0 -12 e 0,50 +0) )

= π · ( 9e -12 e 0,5 +1 - ( 9 -12 e 0 +0) )

= π · ( -12 e 0,5 +1 +9e - ( 9 -12 +0) )

= π · ( -12 e 0,5 +1 +9e -1 · ( -3 ) )

= π · ( -12 e 0,5 +1 +9e +3 )

= π · ( -12 e 0,5 +4 +9e )


≈ 27,269