Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 3 ( 2x +3 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +3 ) 3 ] 1 3

= π · ( 1 6 ( 23 +3 ) 3 - 1 6 ( 21 +3 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 9 3 - 1 6 5 3 )

= π · ( 1 6 729 - 1 6 125 )

= π · ( 243 2 - 125 6 )

= π · ( 729 6 - 125 6 )

= π · 302 3

= 302 3 π


≈ 316,254

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( 2x +4 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( 2x +4 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 2 ( 2x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 2( 2x +4 ) - 9 x ] 1 4

= π · ( 9 2( 24 +4 ) - 9 4 - ( 9 2( 21 +4 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 8 +4 ) -9( 1 4 ) - ( 9 2( 2 +4 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 12 - 9 4 - ( 9 2 6 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 12 ) - 9 4 - ( 9 2 ( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 3 8 - 9 4 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 3 8 - 18 8 - ( 3 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 15 8 -1 · ( - 33 4 ) )

= π · ( - 15 8 + 33 4 )

= π · 51 8

= 51 8 π


≈ 20,028

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 3x +2 ) 2 +5 ( 3x +2 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 = ( 3x +2 ) 2 +5 ( 3x +2 ) 2 -1 = ( 3x +2 ) 2 +5 ( 3x +2 ) 2 - ( 3x +2 ) 2 ( 3x +2 ) 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 2 ( ( 3x +2 ) 2 +5 ( 3x +2 ) 2 - ( 3x +2 ) 2 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 ( ( 3x +2 ) 2 +5 - ( 3x +2 ) 2 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 ( 5 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 5 2 · 1 ( 3x +2 ) 4 x

= π 0 2 25 ( 3x +2 ) 4 x
= π 0 2 25 ( 3x +2 ) -4 x

= π [ - 25 9 ( 3x +2 ) -3 ] 0 2

= π [ - 25 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 25 9 ( 32 +2 ) 3 + 25 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( - 25 9 ( 6 +2 ) 3 + 25 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 25 9 8 3 + 25 9 2 3 )

= π · ( - 25 9 ( 1 512 ) + 25 9 ( 1 8 ) )

= π · ( - 25 4608 + 25 72 )

= π · ( - 25 4608 + 1600 4608 )

= π · 175 512

= 175 512 π


≈ 1,074