Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 2 2x +2 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 2x +2 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 2x +2 ) -2 x

= π [ -2 ( 2x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 2 2x +2 ] 0 2

= π · ( - 2 22 +2 + 2 20 +2 )

= π · ( - 2 4 +2 + 2 0 +2 )

= π · ( - 2 6 + 2 2 )

= π · ( -2( 1 6 ) +2( 1 2 ) )

= π · ( - 1 3 +1 )

= π · ( - 1 3 + 3 3 )

= π · 2 3

= 2 3 π


≈ 2,094

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( x +2 ) 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 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 9 x 2 ) 2 - ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 81 x 4 - 81 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 81 ( x +2 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 2 ( -81 ( x +2 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 ( x +2 ) -3 -27 x -3 ] 1 2

= π [ 27 ( x +2 ) 3 - 27 x 3 ] 1 2

= π · ( 27 ( 2 +2 ) 3 - 27 2 3 - ( 27 ( 1 +2 ) 3 - 27 1 3 ) )

= π · ( 27 4 3 -27( 1 8 ) - ( 27 3 3 -271 ) )

= π · ( 27( 1 64 ) - 27 8 - ( 27( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 27 64 - 27 8 - ( 1 -27 ) )

= π · ( 27 64 - 216 64 -1 · ( -26 ) )

= π · ( - 189 64 +26 )

= π · ( - 189 64 + 1664 64 )

= π · 1475 64

= 1475 64 π


≈ 72,404

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +5 x +1 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 +5 x +1 -2 = 2x +5 x +1 - 2( x +1 ) x +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 ( 2x +5 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +5 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 x +1 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 1 9 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +1 ) -2 x

= π [ -9 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +1 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +1 + 9 0 +1 )

= π · ( - 9 2 + 9 1 )

= π · ( -9( 1 2 ) +91 )

= π · ( - 9 2 +9 )

= π · ( - 9 2 + 18 2 )

= π · 9 2

= 9 2 π


≈ 14,137