Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 2 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 8 )

= π · ( 64 3 - 8 3 )

= π · 56 3

= 56 3 π


≈ 58,643

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 4 - 16 ( 2x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( 2x +2 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 2 ( -16 ( 2x +2 ) -4 +16 x -4 ) x

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 2

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 8 3 ( 22 +2 ) 3 - 16 3 2 3 - ( 8 3 ( 21 +2 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 4 +2 ) 3 - 16 3 ( 1 8 ) - ( 8 3 ( 2 +2 ) 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 8 3 6 3 - 2 3 - ( 8 3 4 3 - 16 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 1 216 ) - 2 3 - ( 8 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 1 81 - 2 3 - ( 1 24 - 16 3 ) )

= π · ( 1 81 - 54 81 - ( 1 24 - 128 24 ) )

= π · ( - 53 81 -1 · ( - 127 24 ) )

= π · ( - 53 81 + 127 24 )

= π · 3005 648

= 3005 648 π


≈ 14,569

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 x +1 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] 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 +4 x +1 -2 = 2x +4 x +1 - 2( x +1 ) x +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 2 ( 2x +4 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x +4 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2 x +1 ) 2 x

= π 0 2 2 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

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

= π [ -4 ( x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 4 x +1 ] 0 2

= π · ( - 4 2 +1 + 4 0 +1 )

= π · ( - 4 3 + 4 1 )

= π · ( -4( 1 3 ) +41 )

= π · ( - 4 3 +4 )

= π · ( - 4 3 + 12 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378