Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 1 3

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

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

= π · ( 1 6 7 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 343 - 1 6 27 )

= π · ( 343 6 - 9 2 )

= π · ( 343 6 - 27 6 )

= π · 158 3

= 158 3 π


≈ 165,457

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +4 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,2] 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 2 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 36 ( 2x +4 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 2 ( -36 ( 2x +4 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +4 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 6 ( 2x +4 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

= π · ( 6 ( 22 +4 ) 3 - 12 2 3 - ( 6 ( 21 +4 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 4 +4 ) 3 -12( 1 8 ) - ( 6 ( 2 +4 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 8 3 - 3 2 - ( 6 6 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 512 ) - 3 2 - ( 6( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 3 256 - 3 2 - ( 1 36 -12 ) )

= π · ( 3 256 - 384 256 - ( 1 36 - 432 36 ) )

= π · ( - 381 256 -1 · ( - 431 36 ) )

= π · ( - 381 256 + 431 36 )

= π · 24155 2304

= 24155 2304 π


≈ 32,936

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 1 ( 4 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

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

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 16 9 ( 31 +4 ) 3 + 16 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 3 +4 ) 3 + 16 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 7 3 + 16 9 4 3 )

= π · ( - 16 9 ( 1 343 ) + 16 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 3087 + 1 36 )

= π · ( - 64 12348 + 343 12348 )

= π · 31 1372

= 31 1372 π


≈ 0,071