Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 72 ( x +4 ) 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 ( 72 ( x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 5184 ( x +4 ) 4 x
= π 0 2 5184 ( x +4 ) -4 x

= π [ -1728 ( x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1728 ( x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 1728 ( 2 +4 ) 3 + 1728 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1728 6 3 + 1728 4 3 )

= π · ( -1728( 1 216 ) +1728( 1 64 ) )

= π · ( -8 +27 )

= π · 19

= 19π


≈ 59,69

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 25 ( x +1 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 x +1 - 25 x ] 1 3

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

= π · ( 25 4 -25( 1 3 ) - ( 25 2 -251 ) )

= π · ( 25( 1 4 ) - 25 3 - ( 25( 1 2 ) -25 ) )

= π · ( 25 4 - 25 3 - ( 25 2 -25 ) )

= π · ( 75 12 - 100 12 - ( 25 2 - 50 2 ) )

= π · ( - 25 12 -1 · ( - 25 2 ) )

= π · ( - 25 12 + 25 2 )

= π · ( - 25 12 + 150 12 )

= π · ( - 25 12 + 25 2 )

= π · 125 12

= 125 12 π


≈ 32,725

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 3x +1 ) 2 +4 ( 3x +1 ) 2 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 3 ( 3x +1 ) 2 +4 ( 3x +1 ) 2 -3 = 3 ( 3x +1 ) 2 +4 ( 3x +1 ) 2 - 3 ( 3x +1 ) 2 ( 3x +1 ) 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 ( 3 ( 3x +1 ) 2 +4 ( 3x +1 ) 2 - 3 ( 3x +1 ) 2 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 4 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +1 ) 4 x

= π 0 1 16 ( 3x +1 ) 4 x
= π 0 1 16 ( 3x +1 ) -4 x

= π [ - 16 9 ( 3x +1 ) -3 ] 0 1

= π [ - 16 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 16 9 ( 31 +1 ) 3 + 16 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 3 +1 ) 3 + 16 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 16 9 4 3 + 16 9 1 3 )

= π · ( - 16 9 ( 1 64 ) + 16 9 1 )

= π · ( - 1 36 + 16 9 )

= π · ( - 1 36 + 64 36 )

= π · 7 4

= 7 4 π


≈ 5,498