Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ - 9 2 ( 2x +1 ) -1 ] 0 3

= π [ - 9 2( 2x +1 ) ] 0 3

= π · ( - 9 2( 23 +1 ) + 9 2( 20 +1 ) )

= π · ( - 9 2( 6 +1 ) + 9 2( 0 +1 ) )

= π · ( - 9 2 7 + 9 2 )

= π · ( - 9 2 ( 1 7 ) + 9 2 1 )

= π · ( - 9 14 + 9 2 )

= π · ( - 9 14 + 63 14 )

= π · 27 7

= 27 7 π


≈ 12,118

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 3x +4 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 3x +4 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 3 3x +4 - 9 x ] 1 3

= π · ( 3 33 +4 - 9 3 - ( 3 31 +4 - 9 1 ) )

= π · ( 3 9 +4 -9( 1 3 ) - ( 3 3 +4 -91 ) )

= π · ( 3 13 -3 - ( 3 7 -9 ) )

= π · ( 3( 1 13 ) -3 - ( 3( 1 7 ) -9 ) )

= π · ( 3 13 -3 - ( 3 7 -9 ) )

= π · ( 3 13 - 39 13 - ( 3 7 - 63 7 ) )

= π · ( - 36 13 -1 · ( - 60 7 ) )

= π · ( - 36 13 + 60 7 )

= π · 528 91

= 528 91 π


≈ 18,228

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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