Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( x +3 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +3 ) 3 ] 1 2

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

= π · ( 1 3 5 3 - 1 3 4 3 )

= π · ( 1 3 125 - 1 3 64 )

= π · ( 125 3 - 64 3 )

= π · 61 3

= 61 3 π


≈ 63,879

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( x +2 ) 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 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 9 x 2 ) 2 - ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 81 x 4 - 81 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 81 ( x +2 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 3 ( -81 ( x +2 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 ( x +2 ) -3 -27 x -3 ] 1 3

= π [ 27 ( x +2 ) 3 - 27 x 3 ] 1 3

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

= π · ( 27 5 3 -27( 1 27 ) - ( 27 3 3 -271 ) )

= π · ( 27( 1 125 ) -1 - ( 27( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 27 125 -1 - ( 1 -27 ) )

= π · ( 27 125 - 125 125 -1 · ( -26 ) )

= π · ( - 98 125 +26 )

= π · ( - 98 125 + 3250 125 )

= π · 3152 125

= 3152 125 π


≈ 79,218

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 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 = 3 ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 -3 = 3 ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 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 ( 3 ( 3x +4 ) 2 +5 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 ( 3x +4 ) 2 +5 -3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

= π 0 1 25 ( 3x +4 ) 4 x
= π 0 1 25 ( 3x +4 ) -4 x

= π [ - 25 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 25 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 25 9 ( 31 +4 ) 3 + 25 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 9 ( 3 +4 ) 3 + 25 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 25 9 7 3 + 25 9 4 3 )

= π · ( - 25 9 ( 1 343 ) + 25 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 25 3087 + 25 576 )

= π · ( - 1600 197568 + 8575 197568 )

= π · 775 21952

= 775 21952 π


≈ 0,111