Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 5 2x +1 ) 2 x
= π 0 2 25 ( 2x +1 ) 2 x
= π 0 2 25 ( 2x +1 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 2( 2x +1 ) ] 0 2

= π · ( - 25 2( 22 +1 ) + 25 2( 20 +1 ) )

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

= π · ( - 25 2 5 + 25 2 )

= π · ( - 25 2 ( 1 5 ) + 25 2 1 )

= π · ( - 5 2 + 25 2 )

= π · 10

= 10π


≈ 31,416

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 x +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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 x +2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 25 ( x +2 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 3 ( -25 ( x +2 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 ( x +2 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 x +2 - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 3 +2 - 25 3 - ( 25 1 +2 - 25 1 ) )

= π · ( 25 5 -25( 1 3 ) - ( 25 3 -251 ) )

= π · ( 25( 1 5 ) - 25 3 - ( 25( 1 3 ) -25 ) )

= π · ( 5 - 25 3 - ( 25 3 -25 ) )

= π · ( 15 3 - 25 3 - ( 25 3 - 75 3 ) )

= π · ( - 10 3 -1 · ( - 50 3 ) )

= π · ( - 10 3 + 50 3 )

= π · 40 3

= 40 3 π


≈ 41,888

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 2x ) 2 x
= π 0 3 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 4 3 3 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 27 - 4 3 0 )

= π · ( 36 +0 )

= π · 36

= 36π


≈ 113,097