Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 3x +3 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 9 ( 32 +3 ) 3 - 1 9 ( 30 +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +3 ) 3 - 1 9 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 9 3 - 1 9 3 3 )

= π · ( 1 9 729 - 1 9 27 )

= π · ( 81 -3 )

= π · 78

= 78π


≈ 245,044

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 2

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

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

= π · ( 4 3 ( 1 27 ) - 1 6 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 4 81 - 1 6 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 8 162 - 27 162 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 19 162 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 19 162 + 7 6 )

= π · ( - 19 162 + 189 162 )

= π · ( - 19 162 + 7 6 )

= π · 85 81

= 85 81 π


≈ 3,297

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +7 x +4 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 +7 x +4 -1 = x +7 x +4 - x +4 x +4
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 ( x +7 x +4 - x +4 x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( x +7 - x -4 x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 3 x +4 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( x +4 ) 2 x

= π 0 2 9 ( x +4 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +4 ) -2 x

= π [ -9 ( x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 9 x +4 ] 0 2

= π · ( - 9 2 +4 + 9 0 +4 )

= π · ( - 9 6 + 9 4 )

= π · ( -9( 1 6 ) +9( 1 4 ) )

= π · ( - 3 2 + 9 4 )

= π · ( - 6 4 + 9 4 )

= π · 3 4

= 3 4 π


≈ 2,356