Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ 1 4 x 4 + 5 3 x 3 + 3 2 x 2 ] 0 3

= π · ( 1 4 3 4 + 5 3 3 3 + 3 2 3 2 - ( 1 4 0 4 + 5 3 0 3 + 3 2 0 2 ) )

= π · ( 1 4 81 + 5 3 27 + 3 2 9 - ( 1 4 0 + 5 3 0 + 3 2 0 ) )

= π · ( 81 4 +45 + 27 2 - (0+0+0) )

= π · ( 81 4 + 180 4 + 54 4 +0 )

= π · ( 315 4 )

= 315 4 π


≈ 247,4

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x 2 und g(x)= 4 ( x +3 ) 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 ( 4 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 4 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

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

= π 1 2 ( 16 x 4 - 16 ( x +3 ) 4 ) x

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

= π [ 16 3 ( x +3 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 2

= π [ 16 3 ( x +3 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 16 3 ( 2 +3 ) 3 - 16 3 2 3 - ( 16 3 ( 1 +3 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 5 3 - 16 3 ( 1 8 ) - ( 16 3 4 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 125 ) - 2 3 - ( 16 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 2 3 - ( 1 12 - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 250 375 - ( 1 12 - 64 12 ) )

= π · ( - 78 125 -1 · ( - 21 4 ) )

= π · ( - 78 125 + 21 4 )

= π · ( - 312 500 + 2625 500 )

= π · ( - 78 125 + 21 4 )

= π · 2313 500

= 2313 500 π


≈ 14,533

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 9 e 0,6x -18 e 0,3x +9 ) x

= π [ 15 e 0,6x -60 e 0,3x +9x ] 0 3

= π · ( 15 e 0,63 -60 e 0,33 +93 - ( 15 e 0,60 -60 e 0,30 +90 ) )

= π · ( 15 e 1,8 -60 e 0,9 +27 - ( 15 e 0 -60 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -60 e 0,9 +27 - ( 15 -60 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -60 e 0,9 +27 -1 · ( -45 ) )

= π · ( 15 e 1,8 -60 e 0,9 +27 +45 )

= π · ( 15 e 1,8 -60 e 0,9 +72 )


≈ 47,653