Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 1 2

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

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

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 27 )

= π · ( 125 6 - 9 2 )

= π · ( 125 6 - 27 6 )

= π · 49 3

= 49 3 π


≈ 51,313

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 3x +3 ) 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 ( 18 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 18 ( 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 2 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 324 x 4 - 324 ( 3x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 324 ( 3x +3 ) 4 + 324 x 4 ) x
= π 1 2 ( -324 ( 3x +3 ) -4 +324 x -4 ) x

= π [ 36 ( 3x +3 ) -3 -108 x -3 ] 1 2

= π [ 36 ( 3x +3 ) 3 - 108 x 3 ] 1 2

= π · ( 36 ( 32 +3 ) 3 - 108 2 3 - ( 36 ( 31 +3 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 36 ( 6 +3 ) 3 -108( 1 8 ) - ( 36 ( 3 +3 ) 3 -1081 ) )

= π · ( 36 9 3 - 27 2 - ( 36 6 3 -108 ) )

= π · ( 36( 1 729 ) - 27 2 - ( 36( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 4 81 - 27 2 - ( 1 6 -108 ) )

= π · ( 8 162 - 2187 162 - ( 1 6 - 648 6 ) )

= π · ( - 2179 162 -1 · ( - 647 6 ) )

= π · ( - 2179 162 + 647 6 )

= π · 7645 81

= 7645 81 π


≈ 296,512

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 3 ( 3 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( 2x +3 ) 4 x

= π 0 3 9 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 3 9 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 3 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 3

= π [ - 3 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 3

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

= π · ( - 3 2 ( 6 +3 ) 3 + 3 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 3 2 9 3 + 3 2 3 3 )

= π · ( - 3 2 ( 1 729 ) + 3 2 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 486 + 1 18 )

= π · ( - 1 486 + 27 486 )

= π · 13 243

= 13 243 π


≈ 0,168