Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ 5 3 x 3 + x 2 +3x ] 0 3

= π · ( 5 3 3 3 + 3 2 +33 - ( 5 3 0 3 + 0 2 +30 ) )

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

= π · ( 45 +9 +9 - (0+0+0) )

= π · ( 63 +0 )

= π · ( 63 )

= 63π


≈ 197,92

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +4 ) 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 +4 ) 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 +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +4 ) 4 ) x

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

= π [ 6 ( 2x +4 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 6 ( 2x +4 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

= π · ( 6 ( 22 +4 ) 3 - 12 2 3 - ( 6 ( 21 +4 ) 3 - 12 1 3 ) )

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

= π · ( 6 8 3 - 3 2 - ( 6 6 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 512 ) - 3 2 - ( 6( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 3 256 - 3 2 - ( 1 36 -12 ) )

= π · ( 3 256 - 384 256 - ( 1 36 - 432 36 ) )

= π · ( - 381 256 -1 · ( - 431 36 ) )

= π · ( - 381 256 + 431 36 )

= π · 24155 2304

= 24155 2304 π


≈ 32,936

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ( 22 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +2 ) 3 - 1 6 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 6 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 216 - 1 6 8 )

= π · ( 36 - 4 3 )

= π · ( 108 3 - 4 3 )

= π · 104 3

= 104 3 π


≈ 108,909