Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( 3 e -2x ) 2 x
= π -1 1 9 e -4x x

= π [ - 9 4 e -4x ] -1 1

= π · ( - 9 4 e -41 + 9 4 e -4( -1 ) )

= π · ( - 9 4 e -4 + 9 4 e 4 )

= π · ( 9 4 e 4 - 9 4 e -4 )


≈ 385,802

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 4 ( x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 4 x +3 - 4 x ] 1 3

= π · ( 4 3 +3 - 4 3 - ( 4 1 +3 - 4 1 ) )

= π · ( 4 6 -4( 1 3 ) - ( 4 4 -41 ) )

= π · ( 4( 1 6 ) - 4 3 - ( 4( 1 4 ) -4 ) )

= π · ( 2 3 - 4 3 - ( 1 -4 ) )

= π · ( - 2 3 -1 · ( -3 ) )

= π · ( - 2 3 +3 )

= π · ( - 2 3 + 9 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33

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 [0,2] 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 = 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 2 ( 2 e 0,1x -2 ) 2 x

= π 0 2 ( 4 e 0,2x -8 e 0,1x +4 ) x

= π [ 20 e 0,2x -80 e 0,1x +4x ] 0 2

= π · ( 20 e 0,22 -80 e 0,12 +42 - ( 20 e 0,20 -80 e 0,10 +40 ) )

= π · ( 20 e 0,4 -80 e 0,2 +8 - ( 20 e 0 -80 e 0 +0) )

= π · ( 20 e 0,4 -80 e 0,2 +8 - ( 20 -80 +0) )

= π · ( 20 e 0,4 -80 e 0,2 +8 -1 · ( -60 ) )

= π · ( 20 e 0,4 -80 e 0,2 +8 +60 )

= π · ( 20 e 0,4 -80 e 0,2 +68 )


≈ 0,39