Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +1 soll im Intervall [1,4] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 1 4 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 1 4

= π · ( 1 6 ( 24 +1 ) 3 - 1 6 ( 21 +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 9 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 729 - 1 6 27 )

= π · ( 243 2 - 9 2 )

= π · 117

= 117π


≈ 367,566

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +1 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 36 ( 2x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 2 ( -36 ( 2x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 6 ( 2x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

= π · ( 6 ( 22 +1 ) 3 - 12 2 3 - ( 6 ( 21 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 4 +1 ) 3 -12( 1 8 ) - ( 6 ( 2 +1 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 5 3 - 3 2 - ( 6 3 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 125 ) - 3 2 - ( 6( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 6 125 - 3 2 - ( 2 9 -12 ) )

= π · ( 12 250 - 375 250 - ( 2 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 363 250 -1 · ( - 106 9 ) )

= π · ( - 363 250 + 106 9 )

= π · 23233 2250

= 23233 2250 π


≈ 32,439

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 9x +12 3x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 9x +12 3x +3 -3 = 9x +12 3x +3 - 3( 3x +3 ) 3x +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 2 ( 9x +12 3x +3 - 3( 3x +3 ) 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 ( 9x +12 -9x -9 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 ( 3 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( 3x +3 ) 2 x

= π 0 2 9 ( 3x +3 ) 2 x
= π 0 2 9 ( 3x +3 ) -2 x

= π [ -3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 2

= π [ - 3 3x +3 ] 0 2

= π · ( - 3 32 +3 + 3 30 +3 )

= π · ( - 3 6 +3 + 3 0 +3 )

= π · ( - 3 9 + 3 3 )

= π · ( -3( 1 9 ) +3( 1 3 ) )

= π · ( - 1 3 +1 )

= π · ( - 1 3 + 3 3 )

= π · 2 3

= 2 3 π


≈ 2,094