Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 2 +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 ( 5 x 2 +2x +4 ) 2 x
= π 0 1 ( 5 x 2 +2x +4 ) x

= π [ 5 3 x 3 + x 2 +4x ] 0 1

= π · ( 5 3 1 3 + 1 2 +41 - ( 5 3 0 3 + 0 2 +40 ) )

= π · ( 5 3 1 + 1 +4 - ( 5 3 0 + 0 +0) )

= π · ( 5 3 +1 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 5 3 + 3 3 + 12 3 +0 )

= π · ( 20 3 )

= 20 3 π


≈ 20,944

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 2x +4 ) 2 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 12 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 144 x 4 - 144 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 144 ( 2x +4 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 2 ( -144 ( 2x +4 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 24 ( 2x +4 ) -3 -48 x -3 ] 1 2

= π [ 24 ( 2x +4 ) 3 - 48 x 3 ] 1 2

= π · ( 24 ( 22 +4 ) 3 - 48 2 3 - ( 24 ( 21 +4 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 24 ( 4 +4 ) 3 -48( 1 8 ) - ( 24 ( 2 +4 ) 3 -481 ) )

= π · ( 24 8 3 -6 - ( 24 6 3 -48 ) )

= π · ( 24( 1 512 ) -6 - ( 24( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 3 64 -6 - ( 1 9 -48 ) )

= π · ( 3 64 - 384 64 - ( 1 9 - 432 9 ) )

= π · ( - 381 64 -1 · ( - 431 9 ) )

= π · ( - 381 64 + 431 9 )

= π · 24155 576

= 24155 576 π


≈ 131,745

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,3x 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 = e 0,3x -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 ( e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 1

= π · ( 5 3 e 0,61 - 20 3 e 0,31 +1 - ( 5 3 e 0,60 - 20 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 +5 )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +6 )


≈ 0,119