Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 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 ( 2x +1 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ⋅ ( 2⋅2 +1 ) 3 - 1 6 ⋅ ( 2⋅0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ⋅ ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ⋅ ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ⋅ 5 3 - 1 6 ⋅ 1 3 )

= π · ( 1 6 ⋅125 - 1 6 ⋅1 )

= π · ( 125 6 - 1 6 )

= π · 62 3

= 62 3 π


≈ 64,926

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π ∫ 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 16 ( x +3 ) 2 + 16 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -16 ( x +3 ) -2 +16 x -2 ) ⅆ x

= π [ 16 ( x +3 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +3 - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 4 +3 - 16 4 - ( 16 1 +3 - 16 1 ) )

= π · ( 16 7 -16⋅( 1 4 ) - ( 16 4 -16⋅1 ) )

= π · ( 16⋅( 1 7 ) -4 - ( 16⋅( 1 4 ) -16 ) )

= π · ( 16 7 -4 - ( 4 -16 ) )

= π · ( 16 7 - 28 7 -1 · ( -12 ) )

= π · ( - 12 7 +12 )

= π · ( - 12 7 + 84 7 )

= π · 72 7

= 72 7 π


≈ 32,314

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +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 = x +4 -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 3 ( x +4 -2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( x +2 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] 0 3

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

= π · ( 1 3 ⋅ 5 3 - 1 3 ⋅ 2 3 )

= π · ( 1 3 ⋅125 - 1 3 ⋅8 )

= π · ( 125 3 - 8 3 )

= π · 39

= 39π


≈ 122,522