Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +4 x 2 +5 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 2 x 3 +4 x 2 +5 ) 2 x
= π 0 3 ( 2 x 3 +4 x 2 +5 ) x

= π [ 1 2 x 4 + 4 3 x 3 +5x ] 0 3

= π · ( 1 2 3 4 + 4 3 3 3 +53 - ( 1 2 0 4 + 4 3 0 3 +50 ) )

= π · ( 1 2 81 + 4 3 27 +15 - ( 1 2 0 + 4 3 0 +0) )

= π · ( 81 2 +36 +15 - (0+0+0) )

= π · ( 81 2 + 72 2 + 30 2 +0 )

= π · ( 183 2 )

= 183 2 π


≈ 287,456

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +1 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 3( 3x +1 ) - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 3( 32 +1 ) - 4 2 - ( 4 3( 31 +1 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 6 +1 ) -4( 1 2 ) - ( 4 3( 3 +1 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 7 -2 - ( 4 3 4 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 7 ) -2 - ( 4 3 ( 1 4 ) -4 ) )

= π · ( 4 21 -2 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 4 21 - 42 21 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 38 21 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 38 21 + 11 3 )

= π · 13 7

= 13 7 π


≈ 5,834

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +1 ) 3 - 1 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 3 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 27 - 1 6 1 )

= π · ( 9 2 - 1 6 )

= π · ( 27 6 - 1 6 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614