Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 21 ( 2x +3 ) 2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 21 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 441 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 2 441 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 147 2 ( 22 +3 ) 3 + 147 2 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2 ( 4 +3 ) 3 + 147 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2 7 3 + 147 2 3 3 )

= π · ( - 147 2 ( 1 343 ) + 147 2 ( 1 27 ) )

= π · ( - 3 14 + 49 18 )

= π · ( - 27 126 + 343 126 )

= π · 158 63

= 158 63 π


≈ 7,879

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 21 x 2 und g(x)= 21 ( 3x +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 ( 21 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 21 ( 3x +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 ( ( 21 x 2 ) 2 - ( 21 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 441 x 4 - 441 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 441 ( 3x +4 ) 4 + 441 x 4 ) x
= π 1 2 ( -441 ( 3x +4 ) -4 +441 x -4 ) x

= π [ 49 ( 3x +4 ) -3 -147 x -3 ] 1 2

= π [ 49 ( 3x +4 ) 3 - 147 x 3 ] 1 2

= π · ( 49 ( 32 +4 ) 3 - 147 2 3 - ( 49 ( 31 +4 ) 3 - 147 1 3 ) )

= π · ( 49 ( 6 +4 ) 3 -147( 1 8 ) - ( 49 ( 3 +4 ) 3 -1471 ) )

= π · ( 49 10 3 - 147 8 - ( 49 7 3 -147 ) )

= π · ( 49( 1 1000 ) - 147 8 - ( 49( 1 343 ) -147 ) )

= π · ( 49 1000 - 147 8 - ( 1 7 -147 ) )

= π · ( 49 1000 - 18375 1000 - ( 1 7 - 1029 7 ) )

= π · ( - 9163 500 -1 · ( - 1028 7 ) )

= π · ( - 9163 500 + 1028 7 )

= π · 449859 3500

= 449859 3500 π


≈ 403,792

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,4x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 0,4x -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 3 ( e 0,4x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e 0,8x -2 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 4 e 0,8x -5 e 0,4x + x ] 0 3

= π · ( 5 4 e 0,83 -5 e 0,43 +3 - ( 5 4 e 0,80 -5 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 e 0 -5 e 0 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 -5 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 - ( 5 4 - 20 4 +0) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 +3 + 15 4 )

= π · ( 5 4 e 2,4 -5 e 1,2 + 27 4 )


≈ 12,341