Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] -1 2

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

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 8 )

= π · ( 256 3 - 4 3 )

= π · 84

= 84π


≈ 263,894

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 16 ( x +3 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 16 x +3 - 16 x ] 1 3

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

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

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

= π · ( 8 3 - 16 3 - ( 4 -16 ) )

= π · ( - 8 3 -1 · ( -12 ) )

= π · ( - 8 3 +12 )

= π · ( - 8 3 + 36 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +11 x +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 +11 x +4 -2 = 2x +11 x +4 - 2( 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 2 ( 2x +11 x +4 - 2( x +4 ) x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x +11 -2x -8 x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 3 x +4 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( x +4 ) 2 x

= π 0 2 9 ( x +4 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +4 ) -2 x

= π [ -9 ( x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 9 x +4 ] 0 2

= π · ( - 9 2 +4 + 9 0 +4 )

= π · ( - 9 6 + 9 4 )

= π · ( -9( 1 6 ) +9( 1 4 ) )

= π · ( - 3 2 + 9 4 )

= π · ( - 6 4 + 9 4 )

= π · 3 4

= 3 4 π


≈ 2,356