Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x +3 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ -4 ( x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 4 x +3 ] 0 1

= π · ( - 4 1 +3 + 4 0 +3 )

= π · ( - 4 4 + 4 3 )

= π · ( -4( 1 4 ) +4( 1 3 ) )

= π · ( -1 + 4 3 )

= π · ( - 3 3 + 4 3 )

= π · 1 3

= 1 3 π


≈ 1,047

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 4 - 16 ( x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( x +1 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 2 ( -16 ( x +1 ) -4 +16 x -4 ) x

= π [ 16 3 ( x +1 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 2

= π [ 16 3 ( x +1 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 16 3 ( 2 +1 ) 3 - 16 3 2 3 - ( 16 3 ( 1 +1 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 3 3 - 16 3 ( 1 8 ) - ( 16 3 2 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 27 ) - 2 3 - ( 16 3 ( 1 8 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 81 - 2 3 - ( 2 3 - 16 3 ) )

= π · ( 16 81 - 54 81 -1 · ( - 14 3 ) )

= π · ( - 38 81 + 14 3 )

= π · ( - 38 81 + 378 81 )

= π · 340 81

= 340 81 π


≈ 13,187

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] 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 = x +3 -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 3 ( x +3 -3 ) 2 x

= π 0 3 ( x ) 2 x
= π 0 3 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 0 )

= π · ( 9 +0 )

= π · 9

= 9π


≈ 28,274