Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= e -2x soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( e -2x ) 2 x
= π -1 2 e -4x x

= π [ - 1 4 e -4x ] -1 2

= π · ( - 1 4 e -42 + 1 4 e -4( -1 ) )

= π · ( - 1 4 e -8 + 1 4 e 4 )

= π · ( 1 4 e 4 - 1 4 e -8 )


≈ 42,881

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +4 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +4 - 4 3 - ( 2 21 +4 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +4 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +4 -41 ) )

= π · ( 2 10 - 4 3 - ( 2 6 -4 ) )

= π · ( 2( 1 10 ) - 4 3 - ( 2( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 1 5 - 4 3 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 3 15 - 20 15 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 17 15 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 17 15 + 11 3 )

= π · 38 15

= 38 15 π


≈ 7,959

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 2 ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 -2 = 2 ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 - 2 ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 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 1 ( 2 ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 - 2 ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 2 ( 2x +3 ) 2 +5 -2 ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( 2x +3 ) 4 x

= π 0 1 25 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 1 25 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 25 6 ( 2x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 25 6 ( 2x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 25 6 ( 21 +3 ) 3 + 25 6 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 25 6 ( 2 +3 ) 3 + 25 6 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 25 6 5 3 + 25 6 3 3 )

= π · ( - 25 6 ( 1 125 ) + 25 6 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 30 + 25 162 )

= π · ( - 27 810 + 125 810 )

= π · 49 405

= 49 405 π


≈ 0,38