Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 20 ( 3x +1 ) 2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 20 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 400 ( 3x +1 ) 4 x
= π 0 3 400 ( 3x +1 ) -4 x

= π [ - 400 9 ( 3x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 400 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 400 9 ( 33 +1 ) 3 + 400 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( - 400 9 ( 9 +1 ) 3 + 400 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 400 9 10 3 + 400 9 1 3 )

= π · ( - 400 9 ( 1 1000 ) + 400 9 1 )

= π · ( - 2 45 + 400 9 )

= π · ( - 2 45 + 2000 45 )

= π · 222 5

= 222 5 π


≈ 139,487

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +2 ) 2 ) x

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

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

= π [ 25 2( 2x +2 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 2( 23 +2 ) - 25 3 - ( 25 2( 21 +2 ) - 25 1 ) )

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

= π · ( 25 2 8 - 25 3 - ( 25 2 4 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 8 ) - 25 3 - ( 25 2 ( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 25 16 - 25 3 - ( 25 8 -25 ) )

= π · ( 75 48 - 400 48 - ( 25 8 - 200 8 ) )

= π · ( - 325 48 -1 · ( - 175 8 ) )

= π · ( - 325 48 + 175 8 )

= π · 725 48

= 725 48 π


≈ 47,451

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +1 ) 3 - 1 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 3 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 27 - 1 6 1 )

= π · ( 9 2 - 1 6 )

= π · ( 27 6 - 1 6 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614