Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( 2 e -3x ) 2 x
= π 0 2 4 e -6x x

= π [ - 2 3 e -6x ] 0 2

= π · ( - 2 3 e -62 + 2 3 e -60 )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 e 0 )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 )


≈ 2,094

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( 3x +1 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,3] 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 3 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 64 x 4 - 64 ( 3x +1 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 64 ( 3x +1 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 3 ( -64 ( 3x +1 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 3

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 64 9 ( 33 +1 ) 3 - 64 3 3 3 - ( 64 9 ( 31 +1 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 64 9 ( 9 +1 ) 3 - 64 3 ( 1 27 ) - ( 64 9 ( 3 +1 ) 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 64 9 10 3 - 64 81 - ( 64 9 4 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 9 ( 1 1000 ) - 64 81 - ( 64 9 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 8 1125 - 64 81 - ( 1 9 - 64 3 ) )

= π · ( 72 10125 - 8000 10125 - ( 1 9 - 192 9 ) )

= π · ( - 7928 10125 -1 · ( - 191 9 ) )

= π · ( - 7928 10125 + 191 9 )

= π · 206947 10125

= 206947 10125 π


≈ 64,212

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 4 e 0,8x -4 e 0,4x +1 ) x

= π [ 5 e 0,8x -10 e 0,4x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,82 -10 e 0,42 +2 - ( 5 e 0,80 -10 e 0,40 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 - ( 5 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 - ( 5 -10 +0) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +2 +5 )

= π · ( 5 e 1,6 -10 e 0,8 +7 )


≈ 29,876