Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π ∫ 1 3 ( e -3x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 1 3 e -6x ⅆ x

= π [ - 1 6 e -6x ] 1 3

= π · ( - 1 6 e -6⋅3 + 1 6 e -6⋅1 )

= π · ( - 1 6 e -18 + 1 6 e -6 )

= π · ( 1 6 e -6 - 1 6 e -18 )


≈ 0,001

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

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

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

= π [ 4 3 ( 3x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 3( 3x +3 ) - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 3( 3⋅2 +3 ) - 4 2 - ( 4 3( 3⋅1 +3 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 6 +3 ) -4⋅( 1 2 ) - ( 4 3( 3 +3 ) -4⋅1 ) )

= π · ( 4 3⋅ 9 -2 - ( 4 3⋅ 6 -4 ) )

= π · ( 4 3 ⋅( 1 9 ) -2 - ( 4 3 ⋅( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 4 27 -2 - ( 2 9 -4 ) )

= π · ( 4 27 - 54 27 - ( 2 9 - 36 9 ) )

= π · ( - 50 27 -1 · ( - 34 9 ) )

= π · ( - 50 27 + 34 9 )

= π · 52 27

= 52 27 π


≈ 6,05

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +4 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] 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 +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 1 ( 3x +4 -2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( 3x +2 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 9 ⋅ ( 3⋅1 +2 ) 3 - 1 9 ⋅ ( 3⋅0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ⋅ ( 3 +2 ) 3 - 1 9 ⋅ ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ⋅ 5 3 - 1 9 ⋅ 2 3 )

= π · ( 1 9 ⋅125 - 1 9 ⋅8 )

= π · ( 125 9 - 8 9 )

= π · 13

= 13π


≈ 40,841