Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 3 e -2x ) 2 x
= π 0 2 9 e -4x x

= π [ - 9 4 e -4x ] 0 2

= π · ( - 9 4 e -42 + 9 4 e -40 )

= π · ( - 9 4 e -8 + 9 4 e 0 )

= π · ( - 9 4 e -8 + 9 4 )


≈ 7,066

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( 2x +1 ) 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 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 9 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

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

= π 1 2 ( 81 x 4 - 81 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 81 ( 2x +1 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 2 ( -81 ( 2x +1 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 2 ( 2x +1 ) -3 -27 x -3 ] 1 2

= π [ 27 2 ( 2x +1 ) 3 - 27 x 3 ] 1 2

= π · ( 27 2 ( 22 +1 ) 3 - 27 2 3 - ( 27 2 ( 21 +1 ) 3 - 27 1 3 ) )

= π · ( 27 2 ( 4 +1 ) 3 -27( 1 8 ) - ( 27 2 ( 2 +1 ) 3 -271 ) )

= π · ( 27 2 5 3 - 27 8 - ( 27 2 3 3 -27 ) )

= π · ( 27 2 ( 1 125 ) - 27 8 - ( 27 2 ( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 27 250 - 27 8 - ( 1 2 -27 ) )

= π · ( 108 1000 - 3375 1000 - ( 1 2 - 54 2 ) )

= π · ( - 3267 1000 -1 · ( - 53 2 ) )

= π · ( - 3267 1000 + 53 2 )

= π · 23233 1000

= 23233 1000 π


≈ 72,989

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 9 ( 31 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 3 +1 ) 3 - 1 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 4 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 64 - 1 9 1 )

= π · ( 64 9 - 1 9 )

= π · 7

= 7π


≈ 21,991