Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +4 ) 3 - 1 6 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 10 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 1000 - 1 6 64 )

= π · ( 500 3 - 32 3 )

= π · 156

= 156π


≈ 490,088

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 3x +3 ) 2 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 12 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 144 x 4 - 144 ( 3x +3 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 144 ( 3x +3 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 3 ( -144 ( 3x +3 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 16 ( 3x +3 ) -3 -48 x -3 ] 1 3

= π [ 16 ( 3x +3 ) 3 - 48 x 3 ] 1 3

= π · ( 16 ( 33 +3 ) 3 - 48 3 3 - ( 16 ( 31 +3 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 16 ( 9 +3 ) 3 -48( 1 27 ) - ( 16 ( 3 +3 ) 3 -481 ) )

= π · ( 16 12 3 - 16 9 - ( 16 6 3 -48 ) )

= π · ( 16( 1 1728 ) - 16 9 - ( 16( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 1 108 - 16 9 - ( 2 27 -48 ) )

= π · ( 1 108 - 192 108 - ( 2 27 - 1296 27 ) )

= π · ( - 191 108 -1 · ( - 1294 27 ) )

= π · ( - 191 108 + 1294 27 )

= π · 4985 108

= 4985 108 π


≈ 145,008

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +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 = 3x +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 ( 3x +1 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 3x ) 2 x
= π 0 2 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 3 2 3 -3 0 3 )

= π · ( 38 -30 )

= π · ( 24 +0 )

= π · 24

= 24π


≈ 75,398