Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 0 ( e -x ) 2 x
= π -1 0 e -2x x

= π [ - 1 2 e -2x ] -1 0

= π · ( - 1 2 e -20 + 1 2 e -2( -1 ) )

= π · ( - 1 2 e 0 + 1 2 e 2 )

= π · ( - 1 2 + 1 2 e 2 )

= π · ( 1 2 e 2 - 1 2 )


≈ 10,036

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +3 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 3x +3 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 3x +3 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 3x +3 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 3 ( 3x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 3( 3x +3 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 3( 34 +3 ) - 25 4 - ( 25 3( 31 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 12 +3 ) -25( 1 4 ) - ( 25 3( 3 +3 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 15 - 25 4 - ( 25 3 6 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 15 ) - 25 4 - ( 25 3 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 5 9 - 25 4 - ( 25 18 -25 ) )

= π · ( 20 36 - 225 36 - ( 25 18 - 450 18 ) )

= π · ( - 205 36 -1 · ( - 425 18 ) )

= π · ( - 205 36 + 425 18 )

= π · 215 12

= 215 12 π


≈ 56,287

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 = x +4 -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 +4 -3 ) 2 x

= π 0 1 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

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

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 1 )

= π · ( 8 3 - 1 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33