Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x 2 +5x +2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 3 x 2 +5x +2 ) 2 x
= π 0 2 ( 3 x 2 +5x +2 ) x

= π [ x 3 + 5 2 x 2 +2x ] 0 2

= π · ( 2 3 + 5 2 2 2 +22 - ( 0 3 + 5 2 0 2 +20 ) )

= π · ( 8 + 5 2 4 +4 - ( 0 + 5 2 0 +0) )

= π · ( 8 +10 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 22 +0 )

= π · ( 22 )

= 22π


≈ 69,115

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( 3x +2 ) 2 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 ( 15 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 15 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 225 x 4 - 225 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 225 ( 3x +2 ) 4 + 225 x 4 ) x
= π 1 2 ( -225 ( 3x +2 ) -4 +225 x -4 ) x

= π [ 25 ( 3x +2 ) -3 -75 x -3 ] 1 2

= π [ 25 ( 3x +2 ) 3 - 75 x 3 ] 1 2

= π · ( 25 ( 32 +2 ) 3 - 75 2 3 - ( 25 ( 31 +2 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 25 ( 6 +2 ) 3 -75( 1 8 ) - ( 25 ( 3 +2 ) 3 -751 ) )

= π · ( 25 8 3 - 75 8 - ( 25 5 3 -75 ) )

= π · ( 25( 1 512 ) - 75 8 - ( 25( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 25 512 - 75 8 - ( 1 5 -75 ) )

= π · ( 25 512 - 4800 512 - ( 1 5 - 375 5 ) )

= π · ( - 4775 512 -1 · ( - 374 5 ) )

= π · ( - 4775 512 + 374 5 )

= π · 167613 2560

= 167613 2560 π


≈ 205,692

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 2x +4 ) 2 +5 ( 2x +4 ) 2 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 = 2 ( 2x +4 ) 2 +5 ( 2x +4 ) 2 -2 = 2 ( 2x +4 ) 2 +5 ( 2x +4 ) 2 - 2 ( 2x +4 ) 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 ( 2 ( 2x +4 ) 2 +5 ( 2x +4 ) 2 - 2 ( 2x +4 ) 2 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 ( 2 ( 2x +4 ) 2 +5 -2 ( 2x +4 ) 2 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 ( 5 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 5 2 · 1 ( 2x +4 ) 4 x

= π 0 2 25 ( 2x +4 ) 4 x
= π 0 2 25 ( 2x +4 ) -4 x

= π [ - 25 6 ( 2x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 25 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 25 6 ( 22 +4 ) 3 + 25 6 ( 20 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 6 ( 4 +4 ) 3 + 25 6 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 6 8 3 + 25 6 4 3 )

= π · ( - 25 6 ( 1 512 ) + 25 6 ( 1 64 ) )

= π · ( - 25 3072 + 25 384 )

= π · ( - 25 3072 + 200 3072 )

= π · 175 3072

= 175 3072 π


≈ 0,179