Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 3 ( x +3 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +3 ) 3 ] 1 3

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

= π · ( 1 3 6 3 - 1 3 4 3 )

= π · ( 1 3 216 - 1 3 64 )

= π · ( 72 - 64 3 )

= π · ( 216 3 - 64 3 )

= π · 152 3

= 152 3 π


≈ 159,174

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 ( x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 x +2 - 4 x ] 1 4

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

= π · ( 4 6 -4( 1 4 ) - ( 4 3 -41 ) )

= π · ( 4( 1 6 ) -1 - ( 4( 1 3 ) -4 ) )

= π · ( 2 3 -1 - ( 4 3 -4 ) )

= π · ( 2 3 - 3 3 - ( 4 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 1 3 -1 · ( - 8 3 ) )

= π · ( - 1 3 + 8 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 3x ) 2 x
= π 0 2 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 3 2 3 -3 0 3 )

= π · ( 38 -30 )

= π · ( 24 +0 )

= π · 24

= 24π


≈ 75,398