Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x +2 soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] -1 2

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 1 )

= π · ( 64 3 - 1 3 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 4 - 16 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( x +3 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 2 ( -16 ( x +3 ) -4 +16 x -4 ) x

= π [ 16 3 ( x +3 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 2

= π [ 16 3 ( x +3 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 16 3 ( 2 +3 ) 3 - 16 3 2 3 - ( 16 3 ( 1 +3 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 5 3 - 16 3 ( 1 8 ) - ( 16 3 4 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 125 ) - 2 3 - ( 16 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 2 3 - ( 1 12 - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 250 375 - ( 1 12 - 64 12 ) )

= π · ( - 78 125 -1 · ( - 21 4 ) )

= π · ( - 78 125 + 21 4 )

= π · ( - 312 500 + 2625 500 )

= π · ( - 78 125 + 21 4 )

= π · 2313 500

= 2313 500 π


≈ 14,533

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,22 -20 e 0,12 +2 - ( 5 e 0,20 -20 e 0,10 +0) )

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

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

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 +15 )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +17 )


≈ 0,098