Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( 3 x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) -2 x

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +2 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 3 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 3 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( -3 + 9 2 )

= π · ( - 6 2 + 9 2 )

= π · 3 2

= 3 2 π


≈ 4,712

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 7 x 2 und g(x)= 7 ( 3x +4 ) 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 ( 7 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 7 x 2 ) 2 - ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 49 x 4 - 49 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 49 ( 3x +4 ) 4 + 49 x 4 ) x
= π 1 2 ( -49 ( 3x +4 ) -4 +49 x -4 ) x

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) -3 - 49 3 x -3 ] 1 2

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) 3 - 49 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 49 9 ( 32 +4 ) 3 - 49 3 2 3 - ( 49 9 ( 31 +4 ) 3 - 49 3 1 3 ) )

= π · ( 49 9 ( 6 +4 ) 3 - 49 3 ( 1 8 ) - ( 49 9 ( 3 +4 ) 3 - 49 3 1 ) )

= π · ( 49 9 10 3 - 49 24 - ( 49 9 7 3 - 49 3 ) )

= π · ( 49 9 ( 1 1000 ) - 49 24 - ( 49 9 ( 1 343 ) - 49 3 ) )

= π · ( 49 9000 - 49 24 - ( 1 63 - 49 3 ) )

= π · ( 49 9000 - 18375 9000 - ( 1 63 - 1029 63 ) )

= π · ( - 9163 4500 -1 · ( - 1028 63 ) )

= π · ( - 9163 4500 + 1028 63 )

= π · 149953 10500

= 149953 10500 π


≈ 44,866

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +6 3x +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 = 3x +6 3x +3 -1 = 3x +6 3x +3 - 3x +3 3x +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 ( 3x +6 3x +3 - 3x +3 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x +6 -3x -3 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( 3x +3 ) 2 x

= π 0 1 9 ( 3x +3 ) 2 x
= π 0 1 9 ( 3x +3 ) -2 x

= π [ -3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 3 3x +3 ] 0 1

= π · ( - 3 31 +3 + 3 30 +3 )

= π · ( - 3 3 +3 + 3 0 +3 )

= π · ( - 3 6 + 3 3 )

= π · ( -3( 1 6 ) +3( 1 3 ) )

= π · ( - 1 2 +1 )

= π · ( - 1 2 + 2 2 )

= π · 1 2

= 1 2 π


≈ 1,571