Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x 2 +4x +5 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 +4x +5 ) 2 x
= π 0 2 ( x 2 +4x +5 ) x

= π [ 1 3 x 3 +2 x 2 +5x ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 +2 2 2 +52 - ( 1 3 0 3 +2 0 2 +50 ) )

= π · ( 1 3 8 +24 +10 - ( 1 3 0 +20 +0) )

= π · ( 8 3 +8 +10 - (0+0+0) )

= π · ( 8 3 + 24 3 + 30 3 +0 )

= π · ( 62 3 )

= 62 3 π


≈ 64,926

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +1 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 2 ( 5 2x +1 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +1 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +1 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 25 ( 2x +1 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 2 ( -25 ( 2x +1 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +1 ) -1 -25 x -1 ] 1 2

= π [ 25 2( 2x +1 ) - 25 x ] 1 2

= π · ( 25 2( 22 +1 ) - 25 2 - ( 25 2( 21 +1 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 4 +1 ) -25( 1 2 ) - ( 25 2( 2 +1 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 5 - 25 2 - ( 25 2 3 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 5 ) - 25 2 - ( 25 2 ( 1 3 ) -25 ) )

= π · ( 5 2 - 25 2 - ( 25 6 -25 ) )

= π · ( -10 - ( 25 6 - 150 6 ) )

= π · ( -10 -1 · ( - 125 6 ) )

= π · ( -10 + 125 6 )

= π · 65 6

= 65 6 π


≈ 34,034

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ( 22 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +2 ) 3 - 1 6 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 6 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 216 - 1 6 8 )

= π · ( 36 - 4 3 )

= π · ( 108 3 - 4 3 )

= π · 104 3

= 104 3 π


≈ 108,909