Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] -1 2

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

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

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 ( -1 ) )

= π · ( 125 6 + 1 6 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

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 [1,3] 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 3 ( 5 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 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 3 ( ( 5 x 2 ) 2 - ( 5 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 4 - 25 ( 2x +3 ) 4 ) x

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

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

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

= π · ( 25 6 ( 23 +3 ) 3 - 25 3 3 3 - ( 25 6 ( 21 +3 ) 3 - 25 3 1 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 6 +3 ) 3 - 25 3 ( 1 27 ) - ( 25 6 ( 2 +3 ) 3 - 25 3 1 ) )

= π · ( 25 6 9 3 - 25 81 - ( 25 6 5 3 - 25 3 ) )

= π · ( 25 6 ( 1 729 ) - 25 81 - ( 25 6 ( 1 125 ) - 25 3 ) )

= π · ( 25 4374 - 25 81 - ( 1 30 - 25 3 ) )

= π · ( 25 4374 - 1350 4374 - ( 1 30 - 250 30 ) )

= π · ( - 1325 4374 -1 · ( - 83 10 ) )

= π · ( - 1325 4374 + 83 10 )

= π · 87448 10935

= 87448 10935 π


≈ 25,124

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,5x 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 = 3 e 0,5x -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 ( 3 e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 9 e x -6 e 0,5x +1 ) x

= π [ 9 e x -12 e 0,5x + x ] 0 2

= π · ( 9 e 2 -12 e 0,52 +2 - ( 9 e 0 -12 e 0,50 +0) )

= π · ( 9 e 2 -12e +2 - ( 9 -12 e 0 +0) )

= π · ( 9 e 2 -12e +2 - ( 9 -12 +0) )

= π · ( 9 e 2 +2 -12e -1 · ( -3 ) )

= π · ( 9 e 2 +2 -12e +3 )

= π · ( 9 e 2 +5 -12e )


≈ 122,152