Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 3 ( 2 x 2 +2x +3 ) 2 x
= π 0 3 ( 2 x 2 +2x +3 ) x

= π [ 2 3 x 3 + x 2 +3x ] 0 3

= π · ( 2 3 3 3 + 3 2 +33 - ( 2 3 0 3 + 0 2 +30 ) )

= π · ( 2 3 27 + 9 +9 - ( 2 3 0 + 0 +0) )

= π · ( 18 +9 +9 - (0+0+0) )

= π · ( 36 +0 )

= π · ( 36 )

= 36π


≈ 113,097

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +4 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 +4 ) 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 +4 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +4 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 25 ( 3x +4 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 2 ( -25 ( 3x +4 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 3 ( 3x +4 ) -1 -25 x -1 ] 1 2

= π [ 25 3( 3x +4 ) - 25 x ] 1 2

= π · ( 25 3( 32 +4 ) - 25 2 - ( 25 3( 31 +4 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 6 +4 ) -25( 1 2 ) - ( 25 3( 3 +4 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 10 - 25 2 - ( 25 3 7 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 10 ) - 25 2 - ( 25 3 ( 1 7 ) -25 ) )

= π · ( 5 6 - 25 2 - ( 25 21 -25 ) )

= π · ( 5 6 - 75 6 - ( 25 21 - 525 21 ) )

= π · ( - 35 3 -1 · ( - 500 21 ) )

= π · ( - 35 3 + 500 21 )

= π · 85 7

= 85 7 π


≈ 38,148

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 x +1 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 = 2x +4 x +1 -2 = 2x +4 x +1 - 2( x +1 ) x +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 2 ( 2x +4 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x +4 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2 x +1 ) 2 x

= π 0 2 2 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 2 4 ( x +1 ) 2 x
= π 0 2 4 ( x +1 ) -2 x

= π [ -4 ( x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 4 x +1 ] 0 2

= π · ( - 4 2 +1 + 4 0 +1 )

= π · ( - 4 3 + 4 1 )

= π · ( -4( 1 3 ) +41 )

= π · ( - 4 3 +4 )

= π · ( - 4 3 + 12 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378