Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 2x +3 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ -8 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 8 2x +3 ] 0 3

= π · ( - 8 23 +3 + 8 20 +3 )

= π · ( - 8 6 +3 + 8 0 +3 )

= π · ( - 8 9 + 8 3 )

= π · ( -8( 1 9 ) +8( 1 3 ) )

= π · ( - 8 9 + 8 3 )

= π · ( - 8 9 + 24 9 )

= π · 16 9

= 16 9 π


≈ 5,585

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +1 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( 3x +1 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( 3x +1 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 3 3x +1 - 9 x ] 1 4

= π · ( 3 34 +1 - 9 4 - ( 3 31 +1 - 9 1 ) )

= π · ( 3 12 +1 -9( 1 4 ) - ( 3 3 +1 -91 ) )

= π · ( 3 13 - 9 4 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 3( 1 13 ) - 9 4 - ( 3( 1 4 ) -9 ) )

= π · ( 3 13 - 9 4 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 12 52 - 117 52 - ( 3 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 105 52 -1 · ( - 33 4 ) )

= π · ( - 105 52 + 33 4 )

= π · 81 13

= 81 13 π


≈ 19,575

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x ) 2 x
= π 0 1 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 4 3 1 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 1 - 4 3 0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189