Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x 3 +3 x 2 +3 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 3 +3 x 2 +3 ) 2 x
= π 0 1 ( 4 x 3 +3 x 2 +3 ) x

= π [ x 4 + x 3 +3x ] 0 1

= π · ( 1 4 + 1 3 +31 - ( 0 4 + 0 3 +30 ) )

= π · ( 1 + 1 +3 - ( 0 + 0 +0) )

= π · ( 1 +1 +3 )

= π · 5

= 5π


≈ 15,708

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)= 6x +10 2x +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 = 6x +10 2x +2 -3 = 6x +10 2x +2 - 3( 2x +2 ) 2x +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 ( 6x +10 2x +2 - 3( 2x +2 ) 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 6x +10 -6x -6 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 4 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 4 2 · 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π 0 3 16 ( 2x +2 ) 2 x
= π 0 3 16 ( 2x +2 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 8 2x +2 ] 0 3

= π · ( - 8 23 +2 + 8 20 +2 )

= π · ( - 8 6 +2 + 8 0 +2 )

= π · ( - 8 8 + 8 2 )

= π · ( -8( 1 8 ) +8( 1 2 ) )

= π · ( -1 +4 )

= π · 3

= 3π


≈ 9,425