Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( 3 e -x ) 2 x
= π -1 1 9 e -2x x

= π [ - 9 2 e -2x ] -1 1

= π · ( - 9 2 e -21 + 9 2 e -2( -1 ) )

= π · ( - 9 2 e -2 + 9 2 e 2 )

= π · ( 9 2 e 2 - 9 2 e -2 )


≈ 102,547

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( 3x +4 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( 3x +4 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 3 ( 3x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 3( 3x +4 ) - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 3( 34 +4 ) - 16 4 - ( 16 3( 31 +4 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 12 +4 ) -16( 1 4 ) - ( 16 3( 3 +4 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 16 -4 - ( 16 3 7 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 16 ) -4 - ( 16 3 ( 1 7 ) -16 ) )

= π · ( 1 3 -4 - ( 16 21 -16 ) )

= π · ( 1 3 - 12 3 - ( 16 21 - 336 21 ) )

= π · ( - 11 3 -1 · ( - 320 21 ) )

= π · ( - 11 3 + 320 21 )

= π · 81 7

= 81 7 π


≈ 36,353

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,5x und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 3 e 0,5x -3
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 ( 3 e 0,5x -3 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e x -18 e 0,5x +9 ) x

= π [ 9 e x -36 e 0,5x +9x ] 0 3

= π · ( 9 e 3 -36 e 0,53 +93 - ( 9 e 0 -36 e 0,50 +90 ) )

= π · ( 9 e 3 -36 e 1,5 +27 - ( 9 -36 e 0 +0) )

= π · ( 9 e 3 -36 e 1,5 +27 - ( 9 -36 +0) )

= π · ( 9 e 3 -36 e 1,5 +27 -1 · ( -27 ) )

= π · ( 9 e 3 -36 e 1,5 +27 +27 )

= π · ( 9 e 3 -36 e 1,5 +54 )


≈ 230,684