Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 9 ( 32 +2 ) 3 - 1 9 ( 3( -1 ) +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +2 ) 3 - 1 9 ( -3 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 8 3 - 1 9 ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 9 512 - 1 9 ( -1 ) )

= π · ( 512 9 + 1 9 )

= π · 57

= 57π


≈ 179,071

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 8 ( 2x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 8 2x +4 - 16 x ] 1 4

= π · ( 8 24 +4 - 16 4 - ( 8 21 +4 - 16 1 ) )

= π · ( 8 8 +4 -16( 1 4 ) - ( 8 2 +4 -161 ) )

= π · ( 8 12 -4 - ( 8 6 -16 ) )

= π · ( 8( 1 12 ) -4 - ( 8( 1 6 ) -16 ) )

= π · ( 2 3 -4 - ( 4 3 -16 ) )

= π · ( 2 3 - 12 3 - ( 4 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 10 3 -1 · ( - 44 3 ) )

= π · ( - 10 3 + 44 3 )

= π · 34 3

= 34 3 π


≈ 35,605

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +10 2x +3 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 = 4x +10 2x +3 -2 = 4x +10 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3
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 ( 4x +10 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 4x +10 -4x -6 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 16 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 8 2x +3 ] 0 1

= π · ( - 8 21 +3 + 8 20 +3 )

= π · ( - 8 2 +3 + 8 0 +3 )

= π · ( - 8 5 + 8 3 )

= π · ( -8( 1 5 ) +8( 1 3 ) )

= π · ( - 8 5 + 8 3 )

= π · ( - 24 15 + 40 15 )

= π · 16 15

= 16 15 π


≈ 3,351