Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ - 1 3 e -3x ] 0 1

= π · ( - 1 3 e -31 + 1 3 e -30 )

= π · ( - 1 3 e -3 + 1 3 e 0 )

= π · ( - 1 3 e -3 + 1 3 )


≈ 0,995

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 3x +3 ) 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 ( 18 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 18 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 324 x 4 - 324 ( 3x +3 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 324 ( 3x +3 ) 4 + 324 x 4 ) x
= π 1 3 ( -324 ( 3x +3 ) -4 +324 x -4 ) x

= π [ 36 ( 3x +3 ) -3 -108 x -3 ] 1 3

= π [ 36 ( 3x +3 ) 3 - 108 x 3 ] 1 3

= π · ( 36 ( 33 +3 ) 3 - 108 3 3 - ( 36 ( 31 +3 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 36 ( 9 +3 ) 3 -108( 1 27 ) - ( 36 ( 3 +3 ) 3 -1081 ) )

= π · ( 36 12 3 -4 - ( 36 6 3 -108 ) )

= π · ( 36( 1 1728 ) -4 - ( 36( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 1 48 -4 - ( 1 6 -108 ) )

= π · ( 1 48 - 192 48 - ( 1 6 - 648 6 ) )

= π · ( - 191 48 -1 · ( - 647 6 ) )

= π · ( - 191 48 + 647 6 )

= π · 4985 48

= 4985 48 π


≈ 326,267

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