Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π ∫ 1 3 ( x +3 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 3 ( x +3 ) 3 ] 1 3

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

= π · ( 1 3 ⋅ 6 3 - 1 3 ⋅ 4 3 )

= π · ( 1 3 ⋅216 - 1 3 ⋅64 )

= π · ( 72 - 64 3 )

= π · ( 216 3 - 64 3 )

= π · 152 3

= 152 3 π


≈ 159,174

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π ∫ 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 9 ( 2x +3 ) 2 + 9 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -9 ( 2x +3 ) -2 +9 x -2 ) ⅆ x

= π [ 9 2 ( 2x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 9 2( 2x +3 ) - 9 x ] 1 3

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

= π · ( 9 2( 6 +3 ) -9⋅( 1 3 ) - ( 9 2( 2 +3 ) -9⋅1 ) )

= π · ( 9 2⋅ 9 -3 - ( 9 2⋅ 5 -9 ) )

= π · ( 9 2 ⋅( 1 9 ) -3 - ( 9 2 ⋅( 1 5 ) -9 ) )

= π · ( 1 2 -3 - ( 9 10 -9 ) )

= π · ( 1 2 - 6 2 - ( 9 10 - 90 10 ) )

= π · ( - 5 2 -1 · ( - 81 10 ) )

= π · ( - 5 2 + 81 10 )

= π · 28 5

= 28 5 π


≈ 17,593

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 2 ( 9 e 0,2x -12 e 0,1x +4 ) ⅆ x

= π [ 45 e 0,2x -120 e 0,1x +4x ] 0 2

= π · ( 45 e 0,2⋅2 -120 e 0,1⋅2 +4⋅2 - ( 45 e 0,2⋅0 -120 e 0,1⋅0 +4⋅0 ) )

= π · ( 45 e 0,4 -120 e 0,2 +8 - ( 45 e 0 -120 e 0 +0) )

= π · ( 45 e 0,4 -120 e 0,2 +8 - ( 45 -120 +0) )

= π · ( 45 e 0,4 -120 e 0,2 +8 -1 · ( -75 ) )

= π · ( 45 e 0,4 -120 e 0,2 +8 +75 )

= π · ( 45 e 0,4 -120 e 0,2 +83 )


≈ 11,196