Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 3 +2x +1 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ 5 4 x 4 + x 2 + x ] 0 3

= π · ( 5 4 3 4 + 3 2 +3 - ( 5 4 0 4 + 0 2 +0) )

= π · ( 5 4 81 + 9 +3 - ( 5 4 0 + 0 +0) )

= π · ( 405 4 +9 +3 - (0+0+0) )

= π · ( 405 4 + 36 4 + 12 4 +0 )

= π · ( 453 4 )

= 453 4 π


≈ 355,785

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +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 ( 5 x ) 2 x - π 1 2 ( 5 3x +2 ) 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 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 25 3 ( 3x +2 ) -1 -25 x -1 ] 1 2

= π [ 25 3( 3x +2 ) - 25 x ] 1 2

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

= π · ( 25 3( 6 +2 ) -25( 1 2 ) - ( 25 3( 3 +2 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 8 - 25 2 - ( 25 3 5 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 8 ) - 25 2 - ( 25 3 ( 1 5 ) -25 ) )

= π · ( 25 24 - 25 2 - ( 5 3 -25 ) )

= π · ( 25 24 - 300 24 - ( 5 3 - 75 3 ) )

= π · ( - 275 24 -1 · ( - 70 3 ) )

= π · ( - 275 24 + 70 3 )

= π · 95 8

= 95 8 π


≈ 37,306

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 3x +2 -1
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 3 ( 3x +2 -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 9 ( 33 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 9 +1 ) 3 - 1 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 10 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 1000 - 1 9 1 )

= π · ( 1000 9 - 1 9 )

= π · 111

= 111π


≈ 348,717