Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x +1 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 +1 ) 2 x
= π 0 1 4 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 4 ( x +1 ) -2 x

= π [ -4 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 4 x +1 ] 0 1

= π · ( - 4 1 +1 + 4 0 +1 )

= π · ( - 4 2 + 4 1 )

= π · ( -4( 1 2 ) +41 )

= π · ( -2 +4 )

= π · 2

= 2π


≈ 6,283

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x 2 und g(x)= 5 ( 2x +3 ) 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 ( 5 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 5 x 2 ) 2 - ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 4 - 25 ( 2x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 25 ( 2x +3 ) 4 + 25 x 4 ) x
= π 1 2 ( -25 ( 2x +3 ) -4 +25 x -4 ) x

= π [ 25 6 ( 2x +3 ) -3 - 25 3 x -3 ] 1 2

= π [ 25 6 ( 2x +3 ) 3 - 25 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 25 6 ( 22 +3 ) 3 - 25 3 2 3 - ( 25 6 ( 21 +3 ) 3 - 25 3 1 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 4 +3 ) 3 - 25 3 ( 1 8 ) - ( 25 6 ( 2 +3 ) 3 - 25 3 1 ) )

= π · ( 25 6 7 3 - 25 24 - ( 25 6 5 3 - 25 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 1 343 ) - 25 24 - ( 25 6 ( 1 125 ) - 25 3 ) )

= π · ( 25 2058 - 25 24 - ( 1 30 - 25 3 ) )

= π · ( 100 8232 - 8575 8232 - ( 1 30 - 250 30 ) )

= π · ( - 2825 2744 -1 · ( - 83 10 ) )

= π · ( - 2825 2744 + 83 10 )

= π · 99751 13720

= 99751 13720 π


≈ 22,841

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 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 = 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 -2 = 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - 2 ( 3x +4 ) 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 ( 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - 2 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 3 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

= π 0 1 9 ( 3x +4 ) 4 x
= π 0 1 9 ( 3x +4 ) -4 x

= π [ - ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 1 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 1 ( 31 +4 ) 3 + 1 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 1 ( 3 +4 ) 3 + 1 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1 7 3 + 1 4 3 )

= π · ( -( 1 343 ) + 1 64 )

= π · ( - 1 343 + 1 64 )

= π · ( - 64 21952 + 343 21952 )

= π · 279 21952

= 279 21952 π


≈ 0,04