Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 + x +4 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 2 x 3 + x +4 ) 2 x
= π 0 1 ( 2 x 3 + x +4 ) x

= π [ 1 2 x 4 + 1 2 x 2 +4x ] 0 1

= π · ( 1 2 1 4 + 1 2 1 2 +41 - ( 1 2 0 4 + 1 2 0 2 +40 ) )

= π · ( 1 2 1 + 1 2 1 +4 - ( 1 2 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 1 2 + 1 2 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 1 2 + 1 2 + 8 2 +0 )

= π · ( 5 )

= 5π


≈ 15,708

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +4 ) - 4 x ] 1 4

= π · ( 4 3( 34 +4 ) - 4 4 - ( 4 3( 31 +4 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 12 +4 ) -4( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +4 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 16 -1 - ( 4 3 7 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 16 ) -1 - ( 4 3 ( 1 7 ) -4 ) )

= π · ( 1 12 -1 - ( 4 21 -4 ) )

= π · ( 1 12 - 12 12 - ( 4 21 - 84 21 ) )

= π · ( - 11 12 -1 · ( - 80 21 ) )

= π · ( - 11 12 + 80 21 )

= π · 81 28

= 81 28 π


≈ 9,088

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +1 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 = x +1 -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 ( x +1 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( x ) 2 x
= π 0 2 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378