Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x +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 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +2 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +2 ) -2 x

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 9 x +2 ] 0 2

= π · ( - 9 2 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 4 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 4 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( - 9 4 + 9 2 )

= π · ( - 9 4 + 18 4 )

= π · 9 4

= 9 4 π


≈ 7,069

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 2x +4 ) 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 ( 18 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 324 x 4 - 324 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 324 ( 2x +4 ) 4 + 324 x 4 ) x
= π 1 2 ( -324 ( 2x +4 ) -4 +324 x -4 ) x

= π [ 54 ( 2x +4 ) -3 -108 x -3 ] 1 2

= π [ 54 ( 2x +4 ) 3 - 108 x 3 ] 1 2

= π · ( 54 ( 22 +4 ) 3 - 108 2 3 - ( 54 ( 21 +4 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 54 ( 4 +4 ) 3 -108( 1 8 ) - ( 54 ( 2 +4 ) 3 -1081 ) )

= π · ( 54 8 3 - 27 2 - ( 54 6 3 -108 ) )

= π · ( 54( 1 512 ) - 27 2 - ( 54( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 27 256 - 27 2 - ( 1 4 -108 ) )

= π · ( 27 256 - 3456 256 - ( 1 4 - 432 4 ) )

= π · ( - 3429 256 -1 · ( - 431 4 ) )

= π · ( - 3429 256 + 431 4 )

= π · 24155 256

= 24155 256 π


≈ 296,426

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 1 (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 = 1 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-1 = ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 -1 = ( 2x +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 - ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 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 +3 ) 2 +5 ( 2x +3 ) 2 - ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( ( 2x +3 ) 2 +5 - ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( 2x +3 ) 4 x

= π 0 1 25 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 1 25 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 25 6 ( 2x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 25 6 ( 2x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 25 6 ( 21 +3 ) 3 + 25 6 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 25 6 ( 2 +3 ) 3 + 25 6 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 25 6 5 3 + 25 6 3 3 )

= π · ( - 25 6 ( 1 125 ) + 25 6 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 30 + 25 162 )

= π · ( - 27 810 + 125 810 )

= π · 49 405

= 49 405 π


≈ 0,38