Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 4 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] 1 4

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

= π · ( 1 3 6 3 - 1 3 3 3 )

= π · ( 1 3 216 - 1 3 27 )

= π · ( 72 -9 )

= π · 63

= 63π


≈ 197,92

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 8 ( 2x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 8 2x +2 - 16 x ] 1 4

= π · ( 8 24 +2 - 16 4 - ( 8 21 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 8 8 +2 -16( 1 4 ) - ( 8 2 +2 -161 ) )

= π · ( 8 10 -4 - ( 8 4 -16 ) )

= π · ( 8( 1 10 ) -4 - ( 8( 1 4 ) -16 ) )

= π · ( 4 5 -4 - ( 2 -16 ) )

= π · ( 4 5 - 20 5 -1 · ( -14 ) )

= π · ( - 16 5 +14 )

= π · ( - 16 5 + 70 5 )

= π · ( - 16 5 +14 )

= π · 54 5

= 54 5 π


≈ 33,929

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 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 = 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 -3 = 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +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 1 ( 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 ( 3x +4 ) 2 +4 -3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

= π 0 1 16 ( 3x +4 ) 4 x
= π 0 1 16 ( 3x +4 ) -4 x

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 16 9 ( 31 +4 ) 3 + 16 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 3 +4 ) 3 + 16 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 7 3 + 16 9 4 3 )

= π · ( - 16 9 ( 1 343 ) + 16 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 3087 + 1 36 )

= π · ( - 64 12348 + 343 12348 )

= π · 31 1372

= 31 1372 π


≈ 0,071