Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 0 ( 3 e -3x ) 2 x
= π -1 0 9 e -6x x

= π [ - 3 2 e -6x ] -1 0

= π · ( - 3 2 e -60 + 3 2 e -6( -1 ) )

= π · ( - 3 2 e 0 + 3 2 e 6 )

= π · ( - 3 2 + 3 2 e 6 )

= π · ( 3 2 e 6 - 3 2 )


≈ 1896,401

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 [1,4] 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 4 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 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 4 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) x

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

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

= π [ 16 ( 3x +3 ) -3 -48 x -3 ] 1 4

= π [ 16 ( 3x +3 ) 3 - 48 x 3 ] 1 4

= π · ( 16 ( 34 +3 ) 3 - 48 4 3 - ( 16 ( 31 +3 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 16 ( 12 +3 ) 3 -48( 1 64 ) - ( 16 ( 3 +3 ) 3 -481 ) )

= π · ( 16 15 3 - 3 4 - ( 16 6 3 -48 ) )

= π · ( 16( 1 3375 ) - 3 4 - ( 16( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 16 3375 - 3 4 - ( 2 27 -48 ) )

= π · ( 64 13500 - 10125 13500 - ( 2 27 - 1296 27 ) )

= π · ( - 10061 13500 -1 · ( - 1294 27 ) )

= π · ( - 10061 13500 + 1294 27 )

= π · 70771 1500

= 70771 1500 π


≈ 148,222

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 2x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 2x +4 2x +2 -1 = 2x +4 2x +2 - 2x +2 2x +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 ( 2x +4 2x +2 - 2x +2 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +4 -2x -2 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 2 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( 2x +2 ) 2 x

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

= π [ -2 ( 2x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 2 2x +2 ] 0 1

= π · ( - 2 21 +2 + 2 20 +2 )

= π · ( - 2 2 +2 + 2 0 +2 )

= π · ( - 2 4 + 2 2 )

= π · ( -2( 1 4 ) +2( 1 2 ) )

= π · ( - 1 2 +1 )

= π · ( - 1 2 + 2 2 )

= π · 1 2

= 1 2 π


≈ 1,571