Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( e -2x ) 2 x
= π 0 2 e -4x x

= π [ - 1 4 e -4x ] 0 2

= π · ( - 1 4 e -42 + 1 4 e -40 )

= π · ( - 1 4 e -8 + 1 4 e 0 )

= π · ( - 1 4 e -8 + 1 4 )


≈ 0,785

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) -3 - 4 3 x -3 ] 1 4

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 4

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

= π · ( 4 3 5 3 - 4 3 ( 1 64 ) - ( 4 3 2 3 - 4 3 1 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 125 ) - 1 48 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 4 375 - 1 48 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 64 6000 - 125 6000 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 61 6000 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · ( - 61 6000 + 7000 6000 )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · 2313 2000

= 2313 2000 π


≈ 3,633

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +12 2x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 6x +12 2x +3 -3 = 6x +12 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +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 1 ( 6x +12 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 6x +12 -6x -9 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 9 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 1 9 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ - 9 2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 2( 2x +3 ) ] 0 1

= π · ( - 9 2( 21 +3 ) + 9 2( 20 +3 ) )

= π · ( - 9 2( 2 +3 ) + 9 2( 0 +3 ) )

= π · ( - 9 2 5 + 9 2 3 )

= π · ( - 9 2 ( 1 5 ) + 9 2 ( 1 3 ) )

= π · ( - 9 10 + 3 2 )

= π · ( - 9 10 + 15 10 )

= π · 3 5

= 3 5 π


≈ 1,885