Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ - 1 2 e -2x ] 0 3

= π · ( - 1 2 e -23 + 1 2 e -20 )

= π · ( - 1 2 e -6 + 1 2 e 0 )

= π · ( - 1 2 e -6 + 1 2 )


≈ 1,567

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( x +1 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( x +1 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 2 ( -16 ( x +1 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +1 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 x +1 - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 2 +1 - 16 2 - ( 16 1 +1 - 16 1 ) )

= π · ( 16 3 -16( 1 2 ) - ( 16 2 -161 ) )

= π · ( 16( 1 3 ) -8 - ( 16( 1 2 ) -16 ) )

= π · ( 16 3 -8 - ( 8 -16 ) )

= π · ( 16 3 - 24 3 -1 · ( -8 ) )

= π · ( - 8 3 +8 )

= π · ( - 8 3 + 24 3 )

= π · 16 3

= 16 3 π


≈ 16,755

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 3x +3 -2
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 +3 -2 ) 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