Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x 2 + x +5 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 4 x 2 + x +5 ) 2 x
= π 0 1 ( 4 x 2 + x +5 ) x

= π [ 4 3 x 3 + 1 2 x 2 +5x ] 0 1

= π · ( 4 3 1 3 + 1 2 1 2 +51 - ( 4 3 0 3 + 1 2 0 2 +50 ) )

= π · ( 4 3 1 + 1 2 1 +5 - ( 4 3 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 4 3 + 1 2 +5 - (0+0+0) )

= π · ( 8 6 + 3 6 + 30 6 +0 )

= π · ( 41 6 )

= 41 6 π


≈ 21,468

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( x +2 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 6 ( x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 36 ( x +2 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 3 ( -36 ( x +2 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 12 ( x +2 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 12 ( x +2 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

= π · ( 12 ( 3 +2 ) 3 - 12 3 3 - ( 12 ( 1 +2 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 12 5 3 -12( 1 27 ) - ( 12 3 3 -121 ) )

= π · ( 12( 1 125 ) - 4 9 - ( 12( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 12 125 - 4 9 - ( 4 9 -12 ) )

= π · ( 108 1125 - 500 1125 - ( 4 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 392 1125 -1 · ( - 104 9 ) )

= π · ( - 392 1125 + 104 9 )

= π · ( - 392 1125 + 13000 1125 )

= π · ( - 392 1125 + 104 9 )

= π · 12608 1125

= 12608 1125 π


≈ 35,208

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

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

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 1 )

= π · ( 8 3 - 1 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33