Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -3x soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ -1 0 ( 2 e -3x ) 2 ⅆ x
= π ∫ -1 0 4 e -6x ⅆ x

= π [ - 2 3 e -6x ] -1 0

= π · ( - 2 3 e -6⋅0 + 2 3 e -6⋅( -1 ) )

= π · ( - 2 3 e 0 + 2 3 e 6 )

= π · ( - 2 3 + 2 3 e 6 )

= π · ( 2 3 e 6 - 2 3 )


≈ 842,845

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

= π ∫ 1 2 ( ( 2 x ) 2 - ( 2 x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 2 ( - 4 ( x +3 ) 2 + 4 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 2 ( -4 ( x +3 ) -2 +4 x -2 ) ⅆ x

= π [ 4 ( x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 x +3 - 4 x ] 1 2

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

= π · ( 4 5 -4⋅( 1 2 ) - ( 4 4 -4⋅1 ) )

= π · ( 4⋅( 1 5 ) -2 - ( 4⋅( 1 4 ) -4 ) )

= π · ( 4 5 -2 - ( 1 -4 ) )

= π · ( 4 5 - 10 5 -1 · ( -3 ) )

= π · ( - 6 5 +3 )

= π · ( - 6 5 + 15 5 )

= π · 9 5

= 9 5 π


≈ 5,655

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +8 x +3 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = x +8 x +3 -1 = x +8 x +3 - x +3 x +3
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 ( x +8 x +3 - x +3 x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( x +8 - x -3 x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( 5 x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 5 2 · 1 ( x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 25 ( x +3 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 25 ( x +3 ) -2 ⅆ x

= π [ -25 ( x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +3 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +3 + 25 0 +3 )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( -25⋅( 1 4 ) +25⋅( 1 3 ) )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( - 75 12 + 100 12 )

= π · 25 12

= 25 12 π


≈ 6,545