Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x 3 +5 x 2 +5x soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 4 x 3 +5 x 2 +5x ) 2 x
= π 0 3 ( 4 x 3 +5 x 2 +5x ) x

= π [ x 4 + 5 3 x 3 + 5 2 x 2 ] 0 3

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

= π · ( 81 + 5 3 27 + 5 2 9 - ( 0 + 5 3 0 + 5 2 0 ) )

= π · ( 81 +45 + 45 2 - (0+0+0) )

= π · ( 162 2 + 90 2 + 45 2 +0 )

= π · ( 297 2 )

= 297 2 π


≈ 466,527

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x und g(x)= 4 2x +4 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,3] 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 3 ( 4 x ) 2 x - π 1 3 ( 4 2x +4 ) 2 x

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

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( 2x +4 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 3 ( -16 ( 2x +4 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 8 ( 2x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 8 2x +4 - 16 x ] 1 3

= π · ( 8 23 +4 - 16 3 - ( 8 21 +4 - 16 1 ) )

= π · ( 8 6 +4 -16( 1 3 ) - ( 8 2 +4 -161 ) )

= π · ( 8 10 - 16 3 - ( 8 6 -16 ) )

= π · ( 8( 1 10 ) - 16 3 - ( 8( 1 6 ) -16 ) )

= π · ( 4 5 - 16 3 - ( 4 3 -16 ) )

= π · ( 12 15 - 80 15 - ( 4 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 68 15 -1 · ( - 44 3 ) )

= π · ( - 68 15 + 44 3 )

= π · 152 15

= 152 15 π


≈ 31,835

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 x +1 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 2x +4 x +1 -2 = 2x +4 x +1 - 2( x +1 ) x +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 +4 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +4 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 2 x +1 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

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

= π [ -4 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 4 x +1 ] 0 1

= π · ( - 4 1 +1 + 4 0 +1 )

= π · ( - 4 2 + 4 1 )

= π · ( -4( 1 2 ) +41 )

= π · ( -2 +4 )

= π · 2

= 2π


≈ 6,283