Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 2x +1 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ -2 ( 2x +1 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +1 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +1 + 2 20 +1 )

= π · ( - 2 6 +1 + 2 0 +1 )

= π · ( - 2 7 + 2 1 )

= π · ( -2( 1 7 ) +21 )

= π · ( - 2 7 +2 )

= π · ( - 2 7 + 14 7 )

= π · 12 7

= 12 7 π


≈ 5,386

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 2 2x +4 - 4 x ] 1 2

= π · ( 2 22 +4 - 4 2 - ( 2 21 +4 - 4 1 ) )

= π · ( 2 4 +4 -4( 1 2 ) - ( 2 2 +4 -41 ) )

= π · ( 2 8 -2 - ( 2 6 -4 ) )

= π · ( 2( 1 8 ) -2 - ( 2( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 1 4 -2 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 1 4 - 8 4 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 7 4 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 7 4 + 11 3 )

= π · 23 12

= 23 12 π


≈ 6,021

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 und der Geraden y = 4 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 4 (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 = 4 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-4 = 2x +4 -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 2 ( 2x +4 -4 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x ) 2 x
= π 0 2 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 4 3 2 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 8 - 4 3 0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · 32 3

= 32 3 π


≈ 33,51