Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= e -3x soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( e -3x ) 2 x
= π 0 1 e -3x x

= π [ - 1 3 e -3x ] 0 1

= π · ( - 1 3 e -31 + 1 3 e -30 )

= π · ( - 1 3 e -3 + 1 3 e 0 )

= π · ( - 1 3 e -3 + 1 3 )


≈ 0,995

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 10 ( 3x +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 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 2 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 2

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 100 9 ( 32 +2 ) 3 - 100 3 2 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 6 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 8 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 8 3 - 25 6 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 512 ) - 25 6 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 25 1152 - 25 6 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 25 1152 - 4800 1152 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 4775 1152 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 4775 1152 + 1496 45 )

= π · 55871 1920

= 55871 1920 π


≈ 91,419

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,1x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = e 0,1x -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 3 ( e 0,1x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 3

= π · ( 5 e 0,23 -20 e 0,13 +3 - ( 5 e 0,20 -20 e 0,10 +0) )

= π · ( 5 e 0,6 -20 e 0,3 +3 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,6 -20 e 0,3 +3 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,6 -20 e 0,3 +3 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,6 -20 e 0,3 +3 +15 )

= π · ( 5 e 0,6 -20 e 0,3 +18 )


≈ 0,356