Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 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 ( 2 e -3x ) 2 x
= π 0 1 4 e -6x x

= π [ - 2 3 e -6x ] 0 1

= π · ( - 2 3 e -61 + 2 3 e -60 )

= π · ( - 2 3 e -6 + 2 3 e 0 )

= π · ( - 2 3 e -6 + 2 3 )


≈ 2,089

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +2 ) 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 3 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 100 9 ( 33 +2 ) 3 - 100 3 3 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 9 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 27 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 11 3 - 100 81 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 1331 ) - 100 81 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 100 11979 - 100 81 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 900 107811 - 133100 107811 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 + 1496 45 )

= π · 17259584 539055

= 17259584 539055 π


≈ 100,588

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,2x und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] 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 = 3 e 0,2x -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 2 ( 3 e 0,2x -2 ) 2 x

= π 0 2 ( 9 e 0,4x -12 e 0,2x +4 ) x

= π [ 45 2 e 0,4x -60 e 0,2x +4x ] 0 2

= π · ( 45 2 e 0,42 -60 e 0,22 +42 - ( 45 2 e 0,40 -60 e 0,20 +40 ) )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 +8 - ( 45 2 e 0 -60 e 0 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 +8 - ( 45 2 -60 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 +8 - ( 45 2 - 120 2 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 +8 -1 · ( - 75 2 ) )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 +8 + 75 2 )

= π · ( 45 2 e 0,8 -60 e 0,4 + 91 2 )


≈ 19,054