Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ -3 e -x ] 0 1

= π · ( -3 e -1 +3 e -0 )

= π · ( -3 e -1 +3 )


≈ 5,958

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +1 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 36 ( 2x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 3 ( -36 ( 2x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 6 ( 2x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

= π · ( 6 ( 23 +1 ) 3 - 12 3 3 - ( 6 ( 21 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 6 +1 ) 3 -12( 1 27 ) - ( 6 ( 2 +1 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 7 3 - 4 9 - ( 6 3 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 343 ) - 4 9 - ( 6( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 6 343 - 4 9 - ( 2 9 -12 ) )

= π · ( 54 3087 - 1372 3087 - ( 2 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 1318 3087 -1 · ( - 106 9 ) )

= π · ( - 1318 3087 + 106 9 )

= π · 11680 1029

= 11680 1029 π


≈ 35,66

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2x +4 -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 ( 2x +4 -2 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +2 ) 3 - 1 6 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 4 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 64 - 1 6 8 )

= π · ( 32 3 - 4 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322