Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +4 ) 3 - 1 6 ( 20 +4 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +4 ) 3 - 1 6 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( 1 6 6 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 216 - 1 6 64 )

= π · ( 36 - 32 3 )

= π · ( 108 3 - 32 3 )

= π · 76 3

= 76 3 π


≈ 79,587

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 [1,4] 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 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 4 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 6 ( 2x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 4

= π [ 6 ( 2x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 4

= π · ( 6 ( 24 +1 ) 3 - 12 4 3 - ( 6 ( 21 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 8 +1 ) 3 -12( 1 64 ) - ( 6 ( 2 +1 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 9 3 - 3 16 - ( 6 3 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 729 ) - 3 16 - ( 6( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 2 243 - 3 16 - ( 2 9 -12 ) )

= π · ( 32 3888 - 729 3888 - ( 2 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 697 3888 -1 · ( - 106 9 ) )

= π · ( - 697 3888 + 106 9 )

= π · 45095 3888

= 45095 3888 π


≈ 36,438

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,1x und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 3 e 0,1x -3
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 0,1x -3 ) 2 x

= π 0 2 ( 9 e 0,2x -18 e 0,1x +9 ) x

= π [ 45 e 0,2x -180 e 0,1x +9x ] 0 2

= π · ( 45 e 0,22 -180 e 0,12 +92 - ( 45 e 0,20 -180 e 0,10 +90 ) )

= π · ( 45 e 0,4 -180 e 0,2 +18 - ( 45 e 0 -180 e 0 +0) )

= π · ( 45 e 0,4 -180 e 0,2 +18 - ( 45 -180 +0) )

= π · ( 45 e 0,4 -180 e 0,2 +18 -1 · ( -135 ) )

= π · ( 45 e 0,4 -180 e 0,2 +18 +135 )

= π · ( 45 e 0,4 -180 e 0,2 +153 )


≈ 0,878