Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x +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 ( 3 x +2 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +2 ) 2 x
= π 0 2 9 ( x +2 ) -2 x

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 9 x +2 ] 0 2

= π · ( - 9 2 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 4 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 4 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( - 9 4 + 9 2 )

= π · ( - 9 4 + 18 4 )

= π · 9 4

= 9 4 π


≈ 7,069

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +3 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 2 ( 5 3x +3 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +3 ) 2 ) x

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

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

= π [ 25 3( 3x +3 ) - 25 x ] 1 2

= π · ( 25 3( 32 +3 ) - 25 2 - ( 25 3( 31 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 6 +3 ) -25( 1 2 ) - ( 25 3( 3 +3 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 9 - 25 2 - ( 25 3 6 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 9 ) - 25 2 - ( 25 3 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 27 - 25 2 - ( 25 18 -25 ) )

= π · ( 50 54 - 675 54 - ( 25 18 - 450 18 ) )

= π · ( - 625 54 -1 · ( - 425 18 ) )

= π · ( - 625 54 + 425 18 )

= π · 325 27

= 325 27 π


≈ 37,815

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +10 x +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 = 3x +10 x +2 -3 = 3x +10 x +2 - 3( x +2 ) x +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 +10 x +2 - 3( x +2 ) x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x +10 -3x -6 x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 x +2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

= π 0 1 16 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +2 ) -2 x

= π [ -16 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 x +2 ] 0 1

= π · ( - 16 1 +2 + 16 0 +2 )

= π · ( - 16 3 + 16 2 )

= π · ( -16( 1 3 ) +16( 1 2 ) )

= π · ( - 16 3 +8 )

= π · ( - 16 3 + 24 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378