Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3x +4 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 3x +4 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 9 ( 32 +4 ) 3 - 1 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +4 ) 3 - 1 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 10 3 - 1 9 4 3 )

= π · ( 1 9 1000 - 1 9 64 )

= π · ( 1000 9 - 64 9 )

= π · 104

= 104π


≈ 326,726

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 2 2x +3 - 4 x ] 1 4

= π · ( 2 24 +3 - 4 4 - ( 2 21 +3 - 4 1 ) )

= π · ( 2 8 +3 -4( 1 4 ) - ( 2 2 +3 -41 ) )

= π · ( 2 11 -1 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2( 1 11 ) -1 - ( 2( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 11 -1 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2 11 - 11 11 - ( 2 5 - 20 5 ) )

= π · ( - 9 11 -1 · ( - 18 5 ) )

= π · ( - 9 11 + 18 5 )

= π · 153 55

= 153 55 π


≈ 8,739

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 +2 -1
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 2 ( 3x +2 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 9 ( 32 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +1 ) 3 - 1 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 7 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 343 - 1 9 1 )

= π · ( 343 9 - 1 9 )

= π · 38

= 38π


≈ 119,381