Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x 3 +3 x 2 +2x 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 3 +3 x 2 +2x ) 2 x
= π 0 1 ( 3 x 3 +3 x 2 +2x ) x

= π [ 3 4 x 4 + x 3 + x 2 ] 0 1

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

= π · ( 3 4 1 + 1 + 1 - ( 3 4 0 + 0 + 0 ) )

= π · ( 3 4 +1 +1 - (0+0+0) )

= π · ( 3 4 + 4 4 + 4 4 +0 )

= π · ( 11 4 )

= 11 4 π


≈ 8,639

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 4 - 16 ( 2x +2 ) 4 ) x

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

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 4

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 8 3 ( 24 +2 ) 3 - 16 3 4 3 - ( 8 3 ( 21 +2 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 8 +2 ) 3 - 16 3 ( 1 64 ) - ( 8 3 ( 2 +2 ) 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 8 3 10 3 - 1 12 - ( 8 3 4 3 - 16 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 1 1000 ) - 1 12 - ( 8 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 1 375 - 1 12 - ( 1 24 - 16 3 ) )

= π · ( 4 1500 - 125 1500 - ( 1 24 - 128 24 ) )

= π · ( - 121 1500 -1 · ( - 127 24 ) )

= π · ( - 121 1500 + 127 24 )

= π · 5211 1000

= 5211 1000 π


≈ 16,371

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +9 3x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] 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 = 6x +9 3x +3 -2 = 6x +9 3x +3 - 2( 3x +3 ) 3x +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 2 ( 6x +9 3x +3 - 2( 3x +3 ) 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 ( 6x +9 -6x -6 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 ( 3 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( 3x +3 ) 2 x

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

= π [ -3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 2

= π [ - 3 3x +3 ] 0 2

= π · ( - 3 32 +3 + 3 30 +3 )

= π · ( - 3 6 +3 + 3 0 +3 )

= π · ( - 3 9 + 3 3 )

= π · ( -3( 1 9 ) +3( 1 3 ) )

= π · ( - 1 3 +1 )

= π · ( - 1 3 + 3 3 )

= π · 2 3

= 2 3 π


≈ 2,094