Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 1 2

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

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 2 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 8 )

= π · ( 9 - 8 3 )

= π · ( 27 3 - 8 3 )

= π · 19 3

= 19 3 π


≈ 19,897

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +1 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 9 ( 3x +1 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 2 ( -9 ( 3x +1 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 3 3x +1 - 9 x ] 1 2

= π · ( 3 32 +1 - 9 2 - ( 3 31 +1 - 9 1 ) )

= π · ( 3 6 +1 -9( 1 2 ) - ( 3 3 +1 -91 ) )

= π · ( 3 7 - 9 2 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 3( 1 7 ) - 9 2 - ( 3( 1 4 ) -9 ) )

= π · ( 3 7 - 9 2 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 6 14 - 63 14 - ( 3 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 57 14 -1 · ( - 33 4 ) )

= π · ( - 57 14 + 33 4 )

= π · 117 28

= 117 28 π


≈ 13,127

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +5 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 +5 x +1 -2 = 2x +5 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 +5 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +5 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 x +1 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 1 9 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +1 ) -2 x

= π [ -9 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +1 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +1 + 9 0 +1 )

= π · ( - 9 2 + 9 1 )

= π · ( -9( 1 2 ) +91 )

= π · ( - 9 2 +9 )

= π · ( - 9 2 + 18 2 )

= π · 9 2

= 9 2 π


≈ 14,137