Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3x +4 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 3x +4 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 9 ( 33 +4 ) 3 - 1 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 9 +4 ) 3 - 1 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 13 3 - 1 9 4 3 )

= π · ( 1 9 2197 - 1 9 64 )

= π · ( 2197 9 - 64 9 )

= π · 237

= 237π


≈ 744,557

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 12 ( x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 12 ( x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

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

= π · ( 12 3 3 -12( 1 8 ) - ( 12 2 3 -121 ) )

= π · ( 12( 1 27 ) - 3 2 - ( 12( 1 8 ) -12 ) )

= π · ( 4 9 - 3 2 - ( 3 2 -12 ) )

= π · ( 8 18 - 27 18 - ( 3 2 - 24 2 ) )

= π · ( - 19 18 -1 · ( - 21 2 ) )

= π · ( - 19 18 + 21 2 )

= π · ( - 19 18 + 189 18 )

= π · ( - 19 18 + 21 2 )

= π · 85 9

= 85 9 π


≈ 29,671

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +11 2x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 6x +11 2x +3 -3 = 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3
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 ( 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 6x +11 -6x -9 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 2 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 4 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 1 4 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 2 2x +3 ] 0 1

= π · ( - 2 21 +3 + 2 20 +3 )

= π · ( - 2 2 +3 + 2 0 +3 )

= π · ( - 2 5 + 2 3 )

= π · ( -2( 1 5 ) +2( 1 3 ) )

= π · ( - 2 5 + 2 3 )

= π · ( - 6 15 + 10 15 )

= π · 4 15

= 4 15 π


≈ 0,838