Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 3 +3x +1 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 5 x 3 +3x +1 ) 2 x
= π 0 2 ( 5 x 3 +3x +1 ) x

= π [ 5 4 x 4 + 3 2 x 2 + x ] 0 2

= π · ( 5 4 2 4 + 3 2 2 2 +2 - ( 5 4 0 4 + 3 2 0 2 +0) )

= π · ( 5 4 16 + 3 2 4 +2 - ( 5 4 0 + 3 2 0 +0) )

= π · ( 20 +6 +2 - (0+0+0) )

= π · ( 28 +0 )

= π · ( 28 )

= 28π


≈ 87,965

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 4

= π · ( 4 3( 34 +2 ) - 4 4 - ( 4 3( 31 +2 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 12 +2 ) -4( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +2 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 14 -1 - ( 4 3 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 14 ) -1 - ( 4 3 ( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 21 -1 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 2 21 - 21 21 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 19 21 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 19 21 + 56 15 )

= π · 99 35

= 99 35 π


≈ 8,886

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e 0,2x -8 e 0,1x +4 ) x

= π [ 20 e 0,2x -80 e 0,1x +4x ] 0 1

= π · ( 20 e 0,21 -80 e 0,11 +41 - ( 20 e 0,20 -80 e 0,10 +40 ) )

= π · ( 20 e 0,2 -80 e 0,1 +4 - ( 20 e 0 -80 e 0 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -80 e 0,1 +4 - ( 20 -80 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -80 e 0,1 +4 -1 · ( -60 ) )

= π · ( 20 e 0,2 -80 e 0,1 +4 +60 )

= π · ( 20 e 0,2 -80 e 0,1 +64 )


≈ 0,045