Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 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 ( x +3 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 3 ( x +3 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( 1 3 ⋅ 5 3 - 1 3 ⋅ 3 3 )

= π · ( 1 3 ⋅125 - 1 3 ⋅27 )

= π · ( 125 3 -9 )

= π · ( 125 3 - 27 3 )

= π · 98 3

= 98 3 π


≈ 102,625

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 2 x und g(x)= 2 2x +3 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 ( 2 x ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 2 2x +3 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 4 ( ( 2 x ) 2 - ( 2 2x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 4 ( 2x +3 ) 2 + 4 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -4 ( 2x +3 ) -2 +4 x -2 ) ⅆ x

= π [ 2 ( 2x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 2 2x +3 - 4 x ] 1 4

= π · ( 2 2⋅4 +3 - 4 4 - ( 2 2⋅1 +3 - 4 1 ) )

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

= π · ( 2 11 -1 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2⋅( 1 11 ) -1 - ( 2⋅( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 11 -1 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2 11 - 11 11 - ( 2 5 - 20 5 ) )

= π · ( - 9 11 -1 · ( - 18 5 ) )

= π · ( - 9 11 + 18 5 )

= π · 153 55

= 153 55 π


≈ 8,739

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +16 2x +4 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 +16 2x +4 -3 = 6x +16 2x +4 - 3( 2x +4 ) 2x +4
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 +16 2x +4 - 3( 2x +4 ) 2x +4 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( 6x +16 -6x -12 2x +4 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( 4 2x +4 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 4 2 · 1 ( 2x +4 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 16 ( 2x +4 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 3 16 ( 2x +4 ) -2 ⅆ x

= π [ -8 ( 2x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 8 2x +4 ] 0 3

= π · ( - 8 2⋅3 +4 + 8 2⋅0 +4 )

= π · ( - 8 6 +4 + 8 0 +4 )

= π · ( - 8 10 + 8 4 )

= π · ( -8⋅( 1 10 ) +8⋅( 1 4 ) )

= π · ( - 4 5 +2 )

= π · ( - 4 5 + 10 5 )

= π · 6 5

= 6 5 π


≈ 3,77