Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 3 +5 x 2 +3 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 x 3 +5 x 2 +3 ) 2 x
= π 0 2 ( 5 x 3 +5 x 2 +3 ) x

= π [ 5 4 x 4 + 5 3 x 3 +3x ] 0 2

= π · ( 5 4 2 4 + 5 3 2 3 +32 - ( 5 4 0 4 + 5 3 0 3 +30 ) )

= π · ( 5 4 16 + 5 3 8 +6 - ( 5 4 0 + 5 3 0 +0) )

= π · ( 20 + 40 3 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 60 3 + 40 3 + 18 3 +0 )

= π · ( 118 3 )

= 118 3 π


≈ 123,569

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( 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 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 8 ( 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 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( 2x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 64 x 4 - 64 ( 2x +2 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 64 ( 2x +2 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 4 ( -64 ( 2x +2 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 32 3 ( 2x +2 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 4

= π [ 32 3 ( 2x +2 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 32 3 ( 24 +2 ) 3 - 64 3 4 3 - ( 32 3 ( 21 +2 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 32 3 ( 8 +2 ) 3 - 64 3 ( 1 64 ) - ( 32 3 ( 2 +2 ) 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 32 3 10 3 - 1 3 - ( 32 3 4 3 - 64 3 ) )

= π · ( 32 3 ( 1 1000 ) - 1 3 - ( 32 3 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 4 375 - 1 3 - ( 1 6 - 64 3 ) )

= π · ( 4 375 - 125 375 - ( 1 6 - 128 6 ) )

= π · ( - 121 375 -1 · ( - 127 6 ) )

= π · ( - 121 375 + 127 6 )

= π · 5211 250

= 5211 250 π


≈ 65,483

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 9 ( 33 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 9 10 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 1000 - 1 9 1 )

= π · ( 1000 9 - 1 9 )

= π · 111

= 111π


≈ 348,717