Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= e -3x soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 0 ( e -3x ) 2 x
= π -1 0 e -6x x

= π [ - 1 6 e -6x ] -1 0

= π · ( - 1 6 e -60 + 1 6 e -6( -1 ) )

= π · ( - 1 6 e 0 + 1 6 e 6 )

= π · ( - 1 6 + 1 6 e 6 )

= π · ( 1 6 e 6 - 1 6 )


≈ 210,711

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( x +2 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( x +2 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 ( x +2 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 x +2 - 9 x ] 1 4

= π · ( 9 4 +2 - 9 4 - ( 9 1 +2 - 9 1 ) )

= π · ( 9 6 -9( 1 4 ) - ( 9 3 -91 ) )

= π · ( 9( 1 6 ) - 9 4 - ( 9( 1 3 ) -9 ) )

= π · ( 3 2 - 9 4 - ( 3 -9 ) )

= π · ( 6 4 - 9 4 -1 · ( -6 ) )

= π · ( - 3 4 +6 )

= π · ( - 3 4 + 24 4 )

= π · 21 4

= 21 4 π


≈ 16,493

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +7 x +2 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 = x +7 x +2 -1 = x +7 x +2 - x +2 x +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 ( x +7 x +2 - x +2 x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( x +7 - x -2 x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 x +2 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

= π 0 1 25 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +2 ) -2 x

= π [ -25 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +2 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +2 + 25 0 +2 )

= π · ( - 25 3 + 25 2 )

= π · ( -25( 1 3 ) +25( 1 2 ) )

= π · ( - 25 3 + 25 2 )

= π · ( - 50 6 + 75 6 )

= π · 25 6

= 25 6 π


≈ 13,09