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 [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 0 2 ( 3 e -2x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 9 e -4x ⅆ x

= π [ - 9 4 e -4x ] 0 2

= π · ( - 9 4 e -4⋅2 + 9 4 e -4⋅0 )

= π · ( - 9 4 e -8 + 9 4 e 0 )

= π · ( - 9 4 e -8 + 9 4 )


≈ 7,066

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 7 x 2 und g(x)= 7 ( 3x +4 ) 2 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 ( 7 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 3 ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 3 ( ( 7 x 2 ) 2 - ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( 49 x 4 - 49 ( 3x +4 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 49 ( 3x +4 ) 4 + 49 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -49 ( 3x +4 ) -4 +49 x -4 ) ⅆ x

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) -3 - 49 3 x -3 ] 1 3

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) 3 - 49 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 49 9 ( 3⋅3 +4 ) 3 - 49 3⋅ 3 3 - ( 49 9 ( 3⋅1 +4 ) 3 - 49 3⋅ 1 3 ) )

= π · ( 49 9 ( 9 +4 ) 3 - 49 3 ⋅( 1 27 ) - ( 49 9 ( 3 +4 ) 3 - 49 3 ⋅1 ) )

= π · ( 49 9⋅ 13 3 - 49 81 - ( 49 9⋅ 7 3 - 49 3 ) )

= π · ( 49 9 ⋅( 1 2197 ) - 49 81 - ( 49 9 ⋅( 1 343 ) - 49 3 ) )

= π · ( 49 19773 - 49 81 - ( 1 63 - 49 3 ) )

= π · ( 441 177957 - 107653 177957 - ( 1 63 - 1029 63 ) )

= π · ( - 107212 177957 -1 · ( - 1028 63 ) )

= π · ( - 107212 177957 + 1028 63 )

= π · 19576160 1245699

= 19576160 1245699 π


≈ 49,37

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,4x 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 = 3 e 0,4x -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 ( 3 e 0,4x -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( 9 e 0,8x -6 e 0,4x +1 ) ⅆ x

= π [ 45 4 e 0,8x -15 e 0,4x + x ] 0 1

= π · ( 45 4 e 0,8⋅1 -15 e 0,4⋅1 +1 - ( 45 4 e 0,8⋅0 -15 e 0,4⋅0 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 e 0 -15 e 0 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 -15 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 - 60 4 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 + 15 4 )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 + 19 4 )


≈ 23,279