Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] 1 2

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 3 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 27 )

= π · ( 64 3 -9 )

= π · ( 64 3 - 27 3 )

= π · 37 3

= 37 3 π


≈ 38,746

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 2 ( -16 ( x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 x +2 - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 2 +2 - 16 2 - ( 16 1 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 16 4 -16( 1 2 ) - ( 16 3 -161 ) )

= π · ( 16( 1 4 ) -8 - ( 16( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 4 -8 - ( 16 3 -16 ) )

= π · ( -4 - ( 16 3 - 48 3 ) )

= π · ( -4 -1 · ( - 32 3 ) )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · ( - 12 3 + 32 3 )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · 20 3

= 20 3 π


≈ 20,944

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 9x +11 3x +2 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 9x +11 3x +2 -3 = 9x +11 3x +2 - 3( 3x +2 ) 3x +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 2 ( 9x +11 3x +2 - 3( 3x +2 ) 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 9x +11 -9x -6 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 5 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 5 2 · 1 ( 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 25 ( 3x +2 ) 2 x
= π 0 2 25 ( 3x +2 ) -2 x

= π [ - 25 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 3( 3x +2 ) ] 0 2

= π · ( - 25 3( 32 +2 ) + 25 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 25 3( 6 +2 ) + 25 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 25 3 8 + 25 3 2 )

= π · ( - 25 3 ( 1 8 ) + 25 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 25 24 + 25 6 )

= π · ( - 25 24 + 100 24 )

= π · 25 8

= 25 8 π


≈ 9,817