Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= e -x soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( e -x ) 2 x
= π 0 1 e -2x x

= π [ - 1 2 e -2x ] 0 1

= π · ( - 1 2 e -21 + 1 2 e -20 )

= π · ( - 1 2 e -2 + 1 2 e 0 )

= π · ( - 1 2 e -2 + 1 2 )


≈ 1,358

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 [1,2] 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 ( 3 x ) 2 x - π 1 2 ( 3 2x +3 ) 2 x

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 9 2 ( 2x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 9 2( 2x +3 ) - 9 x ] 1 2

= π · ( 9 2( 22 +3 ) - 9 2 - ( 9 2( 21 +3 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 4 +3 ) -9( 1 2 ) - ( 9 2( 2 +3 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 7 - 9 2 - ( 9 2 5 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 7 ) - 9 2 - ( 9 2 ( 1 5 ) -9 ) )

= π · ( 9 14 - 9 2 - ( 9 10 -9 ) )

= π · ( 9 14 - 63 14 - ( 9 10 - 90 10 ) )

= π · ( - 27 7 -1 · ( - 81 10 ) )

= π · ( - 27 7 + 81 10 )

= π · 297 70

= 297 70 π


≈ 13,329

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 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 = ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 -1 = ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 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 3 ( ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( ( 3x +4 ) 2 +5 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

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

= π [ - 25 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 3

= π [ - 25 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 25 9 ( 33 +4 ) 3 + 25 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 9 ( 9 +4 ) 3 + 25 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 9 13 3 + 25 9 4 3 )

= π · ( - 25 9 ( 1 2197 ) + 25 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 25 19773 + 25 576 )

= π · ( - 1600 1265472 + 54925 1265472 )

= π · 5925 140608

= 5925 140608 π


≈ 0,132