Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 2x +3 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 5 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 25 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 25 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 2( 2x +3 ) ] 0 3

= π · ( - 25 2( 23 +3 ) + 25 2( 20 +3 ) )

= π · ( - 25 2( 6 +3 ) + 25 2( 0 +3 ) )

= π · ( - 25 2 9 + 25 2 3 )

= π · ( - 25 2 ( 1 9 ) + 25 2 ( 1 3 ) )

= π · ( - 25 18 + 25 6 )

= π · ( - 25 18 + 75 18 )

= π · 25 9

= 25 9 π


≈ 8,727

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 100 x 4 - 100 ( x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 100 ( x +4 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 3 ( -100 ( x +4 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 3 ( x +4 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 100 3 ( x +4 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 100 3 ( 3 +4 ) 3 - 100 3 3 3 - ( 100 3 ( 1 +4 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 3 7 3 - 100 3 ( 1 27 ) - ( 100 3 5 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 3 ( 1 343 ) - 100 81 - ( 100 3 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 100 1029 - 100 81 - ( 4 15 - 100 3 ) )

= π · ( 2700 27783 - 34300 27783 - ( 4 15 - 500 15 ) )

= π · ( - 31600 27783 -1 · ( - 496 15 ) )

= π · ( - 31600 27783 + 496 15 )

= π · ( - 158000 138915 + 4593456 138915 )

= π · ( - 31600 27783 + 496 15 )

= π · 4435456 138915

= 4435456 138915 π


≈ 100,309

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +7 3x +3 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 = 3x +7 3x +3 -1 = 3x +7 3x +3 - 3x +3 3x +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 1 ( 3x +7 3x +3 - 3x +3 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x +7 -3x -3 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 16 ( 3x +3 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 3x +3 ) -2 x

= π [ - 16 3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 3( 3x +3 ) ] 0 1

= π · ( - 16 3( 31 +3 ) + 16 3( 30 +3 ) )

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

= π · ( - 16 3 6 + 16 3 3 )

= π · ( - 16 3 ( 1 6 ) + 16 3 ( 1 3 ) )

= π · ( - 8 9 + 16 9 )

= π · 8 9

= 8 9 π


≈ 2,793