Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 3 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 1 3

= π · ( 1 6 ( 23 +2 ) 3 - 1 6 ( 21 +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 64 )

= π · ( 256 3 - 32 3 )

= π · 224 3

= 224 3 π


≈ 234,572

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 9 x 4 - 9 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( 2x +1 ) 4 + 9 x 4 ) x
= π 1 4 ( -9 ( 2x +1 ) -4 +9 x -4 ) x

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) -3 -3 x -3 ] 1 4

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) 3 - 3 x 3 ] 1 4

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

= π · ( 3 2 ( 8 +1 ) 3 -3( 1 64 ) - ( 3 2 ( 2 +1 ) 3 -31 ) )

= π · ( 3 2 9 3 - 3 64 - ( 3 2 3 3 -3 ) )

= π · ( 3 2 ( 1 729 ) - 3 64 - ( 3 2 ( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 1 486 - 3 64 - ( 1 18 -3 ) )

= π · ( 32 15552 - 729 15552 - ( 1 18 - 54 18 ) )

= π · ( - 697 15552 -1 · ( - 53 18 ) )

= π · ( - 697 15552 + 53 18 )

= π · 45095 15552

= 45095 15552 π


≈ 9,109

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = x +4 -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 3 ( x +4 -3 ) 2 x

= π 0 3 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 3

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 1 )

= π · ( 64 3 - 1 3 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973