Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x +1 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 3 x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +1 ) -2 x

= π [ -9 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +1 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +1 + 9 0 +1 )

= π · ( - 9 2 + 9 1 )

= π · ( -9( 1 2 ) +91 )

= π · ( - 9 2 +9 )

= π · ( - 9 2 + 18 2 )

= π · 9 2

= 9 2 π


≈ 14,137

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +4 ) 2 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 36 ( 2x +4 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 3 ( -36 ( 2x +4 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +4 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 6 ( 2x +4 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

= π · ( 6 ( 23 +4 ) 3 - 12 3 3 - ( 6 ( 21 +4 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 6 +4 ) 3 -12( 1 27 ) - ( 6 ( 2 +4 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 10 3 - 4 9 - ( 6 6 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 1000 ) - 4 9 - ( 6( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 3 500 - 4 9 - ( 1 36 -12 ) )

= π · ( 27 4500 - 2000 4500 - ( 1 36 - 432 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 -1 · ( - 431 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 + 431 36 )

= π · 25951 2250

= 25951 2250 π


≈ 36,234

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( e x -2 e 0,5x +1 ) x

= π [ e x -4 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( e 1 -4 e 0,51 +1 - ( e 0 -4 e 0,50 +0) )

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

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

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e -1 · ( -3 ) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e +3 )

= π · ( -4 e 0,5 +4 + e )


≈ 0,388