Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x +1 soll im Intervall [1,4] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 1 4 ( x +1 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 1 4

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

= π · ( 1 3 ⋅ 5 3 - 1 3 ⋅ 2 3 )

= π · ( 1 3 ⋅125 - 1 3 ⋅8 )

= π · ( 125 3 - 8 3 )

= π · 39

= 39π


≈ 122,522

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( x +3 ) 2 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 ( 8 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 4 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( 64 x 4 - 64 ( x +3 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 64 ( x +3 ) 4 + 64 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -64 ( x +3 ) -4 +64 x -4 ) ⅆ x

= π [ 64 3 ( x +3 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 4

= π [ 64 3 ( x +3 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 64 3 ( 4 +3 ) 3 - 64 3⋅ 4 3 - ( 64 3 ( 1 +3 ) 3 - 64 3⋅ 1 3 ) )

= π · ( 64 3⋅ 7 3 - 64 3 ⋅( 1 64 ) - ( 64 3⋅ 4 3 - 64 3 ⋅1 ) )

= π · ( 64 3 ⋅( 1 343 ) - 1 3 - ( 64 3 ⋅( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 64 1029 - 1 3 - ( 1 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 1029 - 343 1029 -1 · ( -21 ) )

= π · ( - 93 343 +21 )

= π · ( - 93 343 + 7203 343 )

= π · 7110 343

= 7110 343 π


≈ 65,122

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,1x 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 = e 0,1x -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 ( e 0,1x -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,2⋅2 -20 e 0,1⋅2 +2 - ( 5 e 0,2⋅0 -20 e 0,1⋅0 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 +15 )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +17 )


≈ 0,098