Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ - e -4x ] 0 1

= π · ( - e -41 + e -40 )

= π · ( - e -4 + e 0 )

= π · ( - e -4 +1 )


≈ 3,084

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( x +4 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 9 ( x +4 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 2 ( -9 ( x +4 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 ( x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 9 x +4 - 9 x ] 1 2

= π · ( 9 2 +4 - 9 2 - ( 9 1 +4 - 9 1 ) )

= π · ( 9 6 -9( 1 2 ) - ( 9 5 -91 ) )

= π · ( 9( 1 6 ) - 9 2 - ( 9( 1 5 ) -9 ) )

= π · ( 3 2 - 9 2 - ( 9 5 -9 ) )

= π · ( -3 - ( 9 5 - 45 5 ) )

= π · ( -3 -1 · ( - 36 5 ) )

= π · ( -3 + 36 5 )

= π · ( - 15 5 + 36 5 )

= π · ( -3 + 36 5 )

= π · 21 5

= 21 5 π


≈ 13,195

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x ) 2 x
= π 0 1 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 4 3 1 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 1 - 4 3 0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189