Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π ∫ 0 2 ( e -3x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 e -6x ⅆ x

= π [ - 1 6 e -6x ] 0 2

= π · ( - 1 6 e -6⋅2 + 1 6 e -6⋅0 )

= π · ( - 1 6 e -12 + 1 6 e 0 )

= π · ( - 1 6 e -12 + 1 6 )


≈ 0,524

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π ∫ 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +1 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 9 ( 2x +1 ) 2 + 9 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -9 ( 2x +1 ) -2 +9 x -2 ) ⅆ x

= π [ 9 2 ( 2x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 9 2( 2x +1 ) - 9 x ] 1 3

= π · ( 9 2( 2⋅3 +1 ) - 9 3 - ( 9 2( 2⋅1 +1 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 6 +1 ) -9⋅( 1 3 ) - ( 9 2( 2 +1 ) -9⋅1 ) )

= π · ( 9 2⋅ 7 -3 - ( 9 2⋅ 3 -9 ) )

= π · ( 9 2 ⋅( 1 7 ) -3 - ( 9 2 ⋅( 1 3 ) -9 ) )

= π · ( 9 14 -3 - ( 3 2 -9 ) )

= π · ( 9 14 - 42 14 - ( 3 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 33 14 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( - 33 14 + 15 2 )

= π · 36 7

= 36 7 π


≈ 16,157

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 3 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 3

= π · ( 5 2 e 0,4⋅3 -10 e 0,2⋅3 +3 - ( 5 2 e 0,4⋅0 -10 e 0,2⋅0 +0) )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 +3 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 +3 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 +3 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 +3 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 +3 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 1,2 -10 e 0,6 + 21 2 )


≈ 1,819