Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 72 ( 3x +3 ) 2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 72 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 5184 ( 3x +3 ) 4 x
= π 0 3 5184 ( 3x +3 ) -4 x

= π [ -576 ( 3x +3 ) -3 ] 0 3

= π [ - 576 ( 3x +3 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 576 ( 33 +3 ) 3 + 576 ( 30 +3 ) 3 )

= π · ( - 576 ( 9 +3 ) 3 + 576 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 576 12 3 + 576 3 3 )

= π · ( -576( 1 1728 ) +576( 1 27 ) )

= π · ( - 1 3 + 64 3 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 2 2x +2 - 4 x ] 1 2

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

= π · ( 2 4 +2 -4( 1 2 ) - ( 2 2 +2 -41 ) )

= π · ( 2 6 -2 - ( 2 4 -4 ) )

= π · ( 2( 1 6 ) -2 - ( 2( 1 4 ) -4 ) )

= π · ( 1 3 -2 - ( 1 2 -4 ) )

= π · ( 1 3 - 6 3 - ( 1 2 - 8 2 ) )

= π · ( - 5 3 -1 · ( - 7 2 ) )

= π · ( - 5 3 + 7 2 )

= π · 11 6

= 11 6 π


≈ 5,76

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +3 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 -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 1 ( 2x +3 -1 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +2 ) 3 - 1 6 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 4 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 64 - 1 6 8 )

= π · ( 32 3 - 4 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322