Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 21 ( 3x +1 ) 2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 21 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 441 ( 3x +1 ) 4 x
= π 0 2 441 ( 3x +1 ) -4 x

= π [ -49 ( 3x +1 ) -3 ] 0 2

= π [ - 49 ( 3x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 49 ( 32 +1 ) 3 + 49 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( - 49 ( 6 +1 ) 3 + 49 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 49 7 3 + 49 1 3 )

= π · ( -49( 1 343 ) +491 )

= π · ( - 1 7 +49 )

= π · ( - 1 7 + 343 7 )

= π · 342 7

= 342 7 π


≈ 153,489

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( x +4 ) 2 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 100 x 4 - 100 ( x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 100 ( x +4 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 3 ( -100 ( x +4 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 3 ( x +4 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 100 3 ( x +4 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 100 3 ( 3 +4 ) 3 - 100 3 3 3 - ( 100 3 ( 1 +4 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 3 7 3 - 100 3 ( 1 27 ) - ( 100 3 5 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 3 ( 1 343 ) - 100 81 - ( 100 3 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 100 1029 - 100 81 - ( 4 15 - 100 3 ) )

= π · ( 2700 27783 - 34300 27783 - ( 4 15 - 500 15 ) )

= π · ( - 31600 27783 -1 · ( - 496 15 ) )

= π · ( - 31600 27783 + 496 15 )

= π · ( - 158000 138915 + 4593456 138915 )

= π · ( - 31600 27783 + 496 15 )

= π · 4435456 138915

= 4435456 138915 π


≈ 100,309

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +6 x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 1 (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 = 1 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-1 = x +6 x +2 -1 = x +6 x +2 - x +2 x +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 ( x +6 x +2 - x +2 x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( x +6 - x -2 x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 x +2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

= π 0 1 16 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +2 ) -2 x

= π [ -16 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 x +2 ] 0 1

= π · ( - 16 1 +2 + 16 0 +2 )

= π · ( - 16 3 + 16 2 )

= π · ( -16( 1 3 ) +16( 1 2 ) )

= π · ( - 16 3 +8 )

= π · ( - 16 3 + 24 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378