Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 3x +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 ( 5 3x +1 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 25 ( 3x +1 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 25 ( 3x +1 ) -2 ⅆ x

= π [ - 25 3 ( 3x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 3( 3x +1 ) ] 0 2

= π · ( - 25 3( 3⋅2 +1 ) + 25 3( 3⋅0 +1 ) )

= π · ( - 25 3( 6 +1 ) + 25 3( 0 +1 ) )

= π · ( - 25 3⋅ 7 + 25 3 )

= π · ( - 25 3 ⋅( 1 7 ) + 25 3 ⋅1 )

= π · ( - 25 21 + 25 3 )

= π · ( - 25 21 + 175 21 )

= π · 50 7

= 50 7 π


≈ 22,44

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

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

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 4

= π · ( 4 3( 3⋅4 +2 ) - 4 4 - ( 4 3( 3⋅1 +2 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 12 +2 ) -4⋅( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +2 ) -4⋅1 ) )

= π · ( 4 3⋅ 14 -1 - ( 4 3⋅ 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ⋅( 1 14 ) -1 - ( 4 3 ⋅( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 21 -1 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 2 21 - 21 21 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 19 21 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 19 21 + 56 15 )

= π · 99 35

= 99 35 π


≈ 8,886

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 2 ( 2x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 4 x 2 ⅆ x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 4 3 ⋅ 2 3 - 4 3 ⋅ 0 3 )

= π · ( 4 3 ⋅8 - 4 3 ⋅0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · 32 3

= 32 3 π


≈ 33,51