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 ⅆ x
= π ∫ -1 0 9 e -6x ⅆ x

= π [ - 3 2 e -6x ] -1 0

= π · ( - 3 2 e -6⋅0 + 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)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( x +4 ) 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 ( 15 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 3 ( 15 ( x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 3 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( x +4 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( 225 x 4 - 225 ( x +4 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 225 ( x +4 ) 4 + 225 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -225 ( x +4 ) -4 +225 x -4 ) ⅆ x

= π [ 75 ( x +4 ) -3 -75 x -3 ] 1 3

= π [ 75 ( x +4 ) 3 - 75 x 3 ] 1 3

= π · ( 75 ( 3 +4 ) 3 - 75 3 3 - ( 75 ( 1 +4 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 75 7 3 -75⋅( 1 27 ) - ( 75 5 3 -75⋅1 ) )

= π · ( 75⋅( 1 343 ) - 25 9 - ( 75⋅( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 75 343 - 25 9 - ( 3 5 -75 ) )

= π · ( 675 3087 - 8575 3087 - ( 3 5 - 375 5 ) )

= π · ( - 7900 3087 -1 · ( - 372 5 ) )

= π · ( - 7900 3087 + 372 5 )

= π · ( - 39500 15435 + 1148364 15435 )

= π · ( - 7900 3087 + 372 5 )

= π · 1108864 15435

= 1108864 15435 π


≈ 225,695

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 3 ( 2 ( 3x +4 ) 2 +4 -2 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( 4 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 4 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x

= π ∫ 0 3 16 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 3 16 ( 3x +4 ) -4 ⅆ x

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 3

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 16 9 ( 3⋅3 +4 ) 3 + 16 9 ( 3⋅0 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 9 +4 ) 3 + 16 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9⋅ 13 3 + 16 9⋅ 4 3 )

= π · ( - 16 9 ⋅( 1 2197 ) + 16 9 ⋅( 1 64 ) )

= π · ( - 16 19773 + 1 36 )

= π · ( - 64 79092 + 2197 79092 )

= π · 237 8788

= 237 8788 π


≈ 0,085