Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ x 4 + 1 2 x 2 +3x ] 0 2

= π · ( 2 4 + 1 2 2 2 +32 - ( 0 4 + 1 2 0 2 +30 ) )

= π · ( 16 + 1 2 4 +6 - ( 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 16 +2 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 24 +0 )

= π · ( 24 )

= 24π


≈ 75,398

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 2x +4 ) 2 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 12 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 144 x 4 - 144 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 144 ( 2x +4 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 4 ( -144 ( 2x +4 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 24 ( 2x +4 ) -3 -48 x -3 ] 1 4

= π [ 24 ( 2x +4 ) 3 - 48 x 3 ] 1 4

= π · ( 24 ( 24 +4 ) 3 - 48 4 3 - ( 24 ( 21 +4 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 24 ( 8 +4 ) 3 -48( 1 64 ) - ( 24 ( 2 +4 ) 3 -481 ) )

= π · ( 24 12 3 - 3 4 - ( 24 6 3 -48 ) )

= π · ( 24( 1 1728 ) - 3 4 - ( 24( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 1 72 - 3 4 - ( 1 9 -48 ) )

= π · ( 1 72 - 54 72 - ( 1 9 - 432 9 ) )

= π · ( - 53 72 -1 · ( - 431 9 ) )

= π · ( - 53 72 + 431 9 )

= π · 3395 72

= 3395 72 π


≈ 148,135

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 +2 -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 ( 2x +2 -2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2x ) 2 x
= π 0 3 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 4 3 3 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 27 - 4 3 0 )

= π · ( 36 +0 )

= π · 36

= 36π


≈ 113,097