Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 28 ( 3x +4 ) 2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 28 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 1 784 ( 3x +4 ) 4 x
= π 0 1 784 ( 3x +4 ) -4 x

= π [ - 784 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 784 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 784 9 ( 31 +4 ) 3 + 784 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 784 9 ( 3 +4 ) 3 + 784 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 784 9 7 3 + 784 9 4 3 )

= π · ( - 784 9 ( 1 343 ) + 784 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 63 + 49 36 )

= π · ( - 64 252 + 343 252 )

= π · 31 28

= 31 28 π


≈ 3,478

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 8 ( 2x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 8 2x +4 - 16 x ] 1 3

= π · ( 8 23 +4 - 16 3 - ( 8 21 +4 - 16 1 ) )

= π · ( 8 6 +4 -16( 1 3 ) - ( 8 2 +4 -161 ) )

= π · ( 8 10 - 16 3 - ( 8 6 -16 ) )

= π · ( 8( 1 10 ) - 16 3 - ( 8( 1 6 ) -16 ) )

= π · ( 4 5 - 16 3 - ( 4 3 -16 ) )

= π · ( 12 15 - 80 15 - ( 4 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 68 15 -1 · ( - 44 3 ) )

= π · ( - 68 15 + 44 3 )

= π · 152 15

= 152 15 π


≈ 31,835

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +9 2x +3 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 = 4x +9 2x +3 -2 = 4x +9 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3
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 ( 4x +9 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 4x +9 -4x -6 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 3 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 9 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 9 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ - 9 2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 9 2( 2x +3 ) ] 0 3

= π · ( - 9 2( 23 +3 ) + 9 2( 20 +3 ) )

= π · ( - 9 2( 6 +3 ) + 9 2( 0 +3 ) )

= π · ( - 9 2 9 + 9 2 3 )

= π · ( - 9 2 ( 1 9 ) + 9 2 ( 1 3 ) )

= π · ( - 1 2 + 3 2 )

= π · 1

= π


≈ 3,142