Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ 1 3 x 3 + 1 2 x 2 + x ] 0 3

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

= π · ( 1 3 27 + 1 2 9 +3 - ( 1 3 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 9 + 9 2 +3 - (0+0+0) )

= π · ( 18 2 + 9 2 + 6 2 +0 )

= π · ( 33 2 )

= 33 2 π


≈ 51,836

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 4 - 16 ( 2x +2 ) 4 ) x

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

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 4

= π [ 8 3 ( 2x +2 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 8 3 ( 24 +2 ) 3 - 16 3 4 3 - ( 8 3 ( 21 +2 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 8 +2 ) 3 - 16 3 ( 1 64 ) - ( 8 3 ( 2 +2 ) 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 8 3 10 3 - 1 12 - ( 8 3 4 3 - 16 3 ) )

= π · ( 8 3 ( 1 1000 ) - 1 12 - ( 8 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 1 375 - 1 12 - ( 1 24 - 16 3 ) )

= π · ( 4 1500 - 125 1500 - ( 1 24 - 128 24 ) )

= π · ( - 121 1500 -1 · ( - 127 24 ) )

= π · ( - 121 1500 + 127 24 )

= π · 5211 1000

= 5211 1000 π


≈ 16,371

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +10 2x +4 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 4x +10 2x +4 -2 = 4x +10 2x +4 - 2( 2x +4 ) 2x +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 3 ( 4x +10 2x +4 - 2( 2x +4 ) 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 4x +10 -4x -8 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 2x +4 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( 2x +4 ) 2 x

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

= π [ -2 ( 2x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +4 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +4 + 2 20 +4 )

= π · ( - 2 6 +4 + 2 0 +4 )

= π · ( - 2 10 + 2 4 )

= π · ( -2( 1 10 ) +2( 1 4 ) )

= π · ( - 1 5 + 1 2 )

= π · ( - 2 10 + 5 10 )

= π · 3 10

= 3 10 π


≈ 0,942