Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 3 +2 x 2 +2x soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 5 x 3 +2 x 2 +2x ) 2 x
= π 0 1 ( 5 x 3 +2 x 2 +2x ) x

= π [ 5 4 x 4 + 2 3 x 3 + x 2 ] 0 1

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

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

= π · ( 5 4 + 2 3 +1 - (0+0+0) )

= π · ( 15 12 + 8 12 + 12 12 +0 )

= π · ( 35 12 )

= 35 12 π


≈ 9,163

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 16 3 ( 3x +3 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 3( 3x +3 ) - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 3( 34 +3 ) - 16 4 - ( 16 3( 31 +3 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 12 +3 ) -16( 1 4 ) - ( 16 3( 3 +3 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 15 -4 - ( 16 3 6 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 15 ) -4 - ( 16 3 ( 1 6 ) -16 ) )

= π · ( 16 45 -4 - ( 8 9 -16 ) )

= π · ( 16 45 - 180 45 - ( 8 9 - 144 9 ) )

= π · ( - 164 45 -1 · ( - 136 9 ) )

= π · ( - 164 45 + 136 9 )

= π · 172 15

= 172 15 π


≈ 36,024

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +17 x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 3x +17 x +4 -3 = 3x +17 x +4 - 3( x +4 ) x +4
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 ( 3x +17 x +4 - 3( x +4 ) x +4 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x +17 -3x -12 x +4 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 x +4 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( x +4 ) 2 x

= π 0 1 25 ( x +4 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +4 ) -2 x

= π [ -25 ( x +4 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +4 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +4 + 25 0 +4 )

= π · ( - 25 5 + 25 4 )

= π · ( -25( 1 5 ) +25( 1 4 ) )

= π · ( -5 + 25 4 )

= π · ( - 20 4 + 25 4 )

= π · 5 4

= 5 4 π


≈ 3,927