Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 3 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 1 3

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

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

= π · ( 1 9 11 3 - 1 9 5 3 )

= π · ( 1 9 1331 - 1 9 125 )

= π · ( 1331 9 - 125 9 )

= π · 134

= 134π


≈ 420,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( x +4 ) 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

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

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

= π [ 100 3 ( x +4 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 4

= π [ 100 3 ( x +4 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 100 3 ( 4 +4 ) 3 - 100 3 4 3 - ( 100 3 ( 1 +4 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 3 8 3 - 100 3 ( 1 64 ) - ( 100 3 5 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 3 ( 1 512 ) - 25 48 - ( 100 3 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 25 384 - 25 48 - ( 4 15 - 100 3 ) )

= π · ( 25 384 - 200 384 - ( 4 15 - 500 15 ) )

= π · ( - 175 384 -1 · ( - 496 15 ) )

= π · ( - 175 384 + 496 15 )

= π · ( - 875 1920 + 63488 1920 )

= π · ( - 175 384 + 496 15 )

= π · 20871 640

= 20871 640 π


≈ 102,45

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,22 -20 e 0,12 +2 - ( 5 e 0,20 -20 e 0,10 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 +15 )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +17 )


≈ 0,098