Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 22 ( 3x +2 ) 2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 22 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 484 ( 3x +2 ) 4 x
= π 0 3 484 ( 3x +2 ) -4 x

= π [ - 484 9 ( 3x +2 ) -3 ] 0 3

= π [ - 484 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 484 9 ( 33 +2 ) 3 + 484 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( - 484 9 ( 9 +2 ) 3 + 484 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 484 9 11 3 + 484 9 2 3 )

= π · ( - 484 9 ( 1 1331 ) + 484 9 ( 1 8 ) )

= π · ( - 4 99 + 121 18 )

= π · ( - 8 198 + 1331 198 )

= π · 147 22

= 147 22 π


≈ 20,992

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 3x +3 ) 2 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 6 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

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

= π 1 4 ( 36 x 4 - 36 ( 3x +3 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 36 ( 3x +3 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 4 ( -36 ( 3x +3 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 4 ( 3x +3 ) -3 -12 x -3 ] 1 4

= π [ 4 ( 3x +3 ) 3 - 12 x 3 ] 1 4

= π · ( 4 ( 34 +3 ) 3 - 12 4 3 - ( 4 ( 31 +3 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 4 ( 12 +3 ) 3 -12( 1 64 ) - ( 4 ( 3 +3 ) 3 -121 ) )

= π · ( 4 15 3 - 3 16 - ( 4 6 3 -12 ) )

= π · ( 4( 1 3375 ) - 3 16 - ( 4( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 4 3375 - 3 16 - ( 1 54 -12 ) )

= π · ( 64 54000 - 10125 54000 - ( 1 54 - 648 54 ) )

= π · ( - 10061 54000 -1 · ( - 647 54 ) )

= π · ( - 10061 54000 + 647 54 )

= π · 70771 6000

= 70771 6000 π


≈ 37,056

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 4 e 0,6x -4 e 0,3x +1 ) x

= π [ 20 3 e 0,6x - 40 3 e 0,3x + x ] 0 2

= π · ( 20 3 e 0,62 - 40 3 e 0,32 +2 - ( 20 3 e 0,60 - 40 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 +2 - ( 20 3 e 0 - 40 3 e 0 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 +2 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 +2 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 +2 -1 · ( - 20 3 ) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 +2 + 20 3 )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 40 3 e 0,6 + 26 3 )


≈ 20,439