Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( e -3x ) 2 x
= π 0 2 e -6x x

= π [ - 1 6 e -6x ] 0 2

= π · ( - 1 6 e -62 + 1 6 e -60 )

= π · ( - 1 6 e -12 + 1 6 e 0 )

= π · ( - 1 6 e -12 + 1 6 )


≈ 0,524

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 16 ( x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 x +2 - 16 x ] 1 2

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

= π · ( 16 4 -16( 1 2 ) - ( 16 3 -161 ) )

= π · ( 16( 1 4 ) -8 - ( 16( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 4 -8 - ( 16 3 -16 ) )

= π · ( -4 - ( 16 3 - 48 3 ) )

= π · ( -4 -1 · ( - 32 3 ) )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · ( - 12 3 + 32 3 )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · 20 3

= 20 3 π


≈ 20,944

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( e 0,8x -2 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 4 e 0,8x -5 e 0,4x + x ] 0 1

= π · ( 5 4 e 0,81 -5 e 0,41 +1 - ( 5 4 e 0,80 -5 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 e 0 -5 e 0 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 -5 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 - ( 5 4 - 20 4 +0) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 +1 + 15 4 )

= π · ( 5 4 e 0,8 -5 e 0,4 + 19 4 )


≈ 0,229