Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] -1 1

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

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 1 )

= π · ( 9 - 1 3 )

= π · ( 27 3 - 1 3 )

= π · 26 3

= 26 3 π


≈ 27,227

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( 2x +3 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 3 ( -16 ( 2x +3 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 8 ( 2x +3 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 8 2x +3 - 16 x ] 1 3

= π · ( 8 23 +3 - 16 3 - ( 8 21 +3 - 16 1 ) )

= π · ( 8 6 +3 -16( 1 3 ) - ( 8 2 +3 -161 ) )

= π · ( 8 9 - 16 3 - ( 8 5 -16 ) )

= π · ( 8( 1 9 ) - 16 3 - ( 8( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 8 9 - 16 3 - ( 8 5 -16 ) )

= π · ( 8 9 - 48 9 - ( 8 5 - 80 5 ) )

= π · ( - 40 9 -1 · ( - 72 5 ) )

= π · ( - 40 9 + 72 5 )

= π · 448 45

= 448 45 π


≈ 31,276

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 9x +9 3x +2 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 9x +9 3x +2 -3 = 9x +9 3x +2 - 3( 3x +2 ) 3x +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 1 ( 9x +9 3x +2 - 3( 3x +2 ) 3x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 9x +9 -9x -6 3x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 3x +2 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( 3x +2 ) 2 x

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

= π [ -3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 3 3x +2 ] 0 1

= π · ( - 3 31 +2 + 3 30 +2 )

= π · ( - 3 3 +2 + 3 0 +2 )

= π · ( - 3 5 + 3 2 )

= π · ( -3( 1 5 ) +3( 1 2 ) )

= π · ( - 3 5 + 3 2 )

= π · ( - 6 10 + 15 10 )

= π · 9 10

= 9 10 π


≈ 2,827