Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 56 ( x +4 ) 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 ( 56 ( x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 3136 ( x +4 ) 4 x
= π 0 3 3136 ( x +4 ) -4 x

= π [ - 3136 3 ( x +4 ) -3 ] 0 3

= π [ - 3136 3 ( x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 3136 3 ( 3 +4 ) 3 + 3136 3 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 3136 3 7 3 + 3136 3 4 3 )

= π · ( - 3136 3 ( 1 343 ) + 3136 3 ( 1 64 ) )

= π · ( - 64 21 + 49 3 )

= π · ( - 64 21 + 343 21 )

= π · 93 7

= 93 7 π


≈ 41,738

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( 2x +3 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( 2x +3 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 2 ( 2x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 2( 2x +3 ) - 9 x ] 1 4

= π · ( 9 2( 24 +3 ) - 9 4 - ( 9 2( 21 +3 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 8 +3 ) -9( 1 4 ) - ( 9 2( 2 +3 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 11 - 9 4 - ( 9 2 5 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 11 ) - 9 4 - ( 9 2 ( 1 5 ) -9 ) )

= π · ( 9 22 - 9 4 - ( 9 10 -9 ) )

= π · ( 18 44 - 99 44 - ( 9 10 - 90 10 ) )

= π · ( - 81 44 -1 · ( - 81 10 ) )

= π · ( - 81 44 + 81 10 )

= π · 1377 220

= 1377 220 π


≈ 19,664

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +11 x +2 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 = 3x +11 x +2 -3 = 3x +11 x +2 - 3( x +2 ) x +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 3 ( 3x +11 x +2 - 3( x +2 ) x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +11 -3x -6 x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 x +2 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

= π 0 3 25 ( x +2 ) 2 x
= π 0 3 25 ( x +2 ) -2 x

= π [ -25 ( x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 x +2 ] 0 3

= π · ( - 25 3 +2 + 25 0 +2 )

= π · ( - 25 5 + 25 2 )

= π · ( -25( 1 5 ) +25( 1 2 ) )

= π · ( -5 + 25 2 )

= π · ( - 10 2 + 25 2 )

= π · 15 2

= 15 2 π


≈ 23,562