Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 24 ( x +3 ) 2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 24 ( x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 1 576 ( x +3 ) 4 x
= π 0 1 576 ( x +3 ) -4 x

= π [ -192 ( x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 192 ( x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 192 ( 1 +3 ) 3 + 192 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 192 4 3 + 192 3 3 )

= π · ( -192( 1 64 ) +192( 1 27 ) )

= π · ( -3 + 64 9 )

= π · ( - 27 9 + 64 9 )

= π · 37 9

= 37 9 π


≈ 12,915

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +1 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 2 ( 5 3x +1 ) 2 x

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

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

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 25 3 ( 3x +1 ) -1 -25 x -1 ] 1 2

= π [ 25 3( 3x +1 ) - 25 x ] 1 2

= π · ( 25 3( 32 +1 ) - 25 2 - ( 25 3( 31 +1 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 6 +1 ) -25( 1 2 ) - ( 25 3( 3 +1 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 7 - 25 2 - ( 25 3 4 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 7 ) - 25 2 - ( 25 3 ( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 25 21 - 25 2 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 50 42 - 525 42 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 475 42 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 475 42 + 275 12 )

= π · 325 28

= 325 28 π


≈ 36,465

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( x +5 - x -2 x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 3 x +2 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

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

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 9 x +2 ] 0 3

= π · ( - 9 3 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 5 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 5 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( - 9 5 + 9 2 )

= π · ( - 18 10 + 45 10 )

= π · 27 10

= 27 10 π


≈ 8,482