Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -x soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( 2 e -x ) 2 x
= π -1 2 4 e -2x x

= π [ -2 e -2x ] -1 2

= π · ( -2 e -22 +2 e -2( -1 ) )

= π · ( -2 e -4 +2 e 2 )

= π · ( 2 e 2 -2 e -4 )


≈ 46,312

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 25 x 4 - 25 ( 3x +2 ) 4 ) x

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

= π [ 25 9 ( 3x +2 ) -3 - 25 3 x -3 ] 1 2

= π [ 25 9 ( 3x +2 ) 3 - 25 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 25 9 ( 32 +2 ) 3 - 25 3 2 3 - ( 25 9 ( 31 +2 ) 3 - 25 3 1 3 ) )

= π · ( 25 9 ( 6 +2 ) 3 - 25 3 ( 1 8 ) - ( 25 9 ( 3 +2 ) 3 - 25 3 1 ) )

= π · ( 25 9 8 3 - 25 24 - ( 25 9 5 3 - 25 3 ) )

= π · ( 25 9 ( 1 512 ) - 25 24 - ( 25 9 ( 1 125 ) - 25 3 ) )

= π · ( 25 4608 - 25 24 - ( 1 45 - 25 3 ) )

= π · ( 25 4608 - 4800 4608 - ( 1 45 - 375 45 ) )

= π · ( - 4775 4608 -1 · ( - 374 45 ) )

= π · ( - 4775 4608 + 374 45 )

= π · 55871 7680

= 55871 7680 π


≈ 22,855

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,5x 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 = e 0,5x -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 ( e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e x -2 e 0,5x +1 ) x

= π [ e x -4 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( e -4 e 0,51 +1 - ( e 0 -4 e 0,50 +0) )

= π · ( e -4 e 0,5 +1 - ( 1 -4 e 0 +0) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e - ( 1 -4 +0) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e -1 · ( -3 ) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e +3 )

= π · ( -4 e 0,5 +4 + e )


≈ 0,388