Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x 2 +2x +4 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( x 2 +2x +4 ) 2 x
= π 0 2 ( x 2 +2x +4 ) x

= π [ 1 3 x 3 + x 2 +4x ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 + 2 2 +42 - ( 1 3 0 3 + 0 2 +40 ) )

= π · ( 1 3 8 + 4 +8 - ( 1 3 0 + 0 +0) )

= π · ( 8 3 +4 +8 - (0+0+0) )

= π · ( 8 3 + 12 3 + 24 3 +0 )

= π · ( 44 3 )

= 44 3 π


≈ 46,077

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 3x +3 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 3x +3 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 3 3x +3 - 9 x ] 1 3

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

= π · ( 3 9 +3 -9( 1 3 ) - ( 3 3 +3 -91 ) )

= π · ( 3 12 -3 - ( 3 6 -9 ) )

= π · ( 3( 1 12 ) -3 - ( 3( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 1 4 -3 - ( 1 2 -9 ) )

= π · ( 1 4 - 12 4 - ( 1 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 11 4 -1 · ( - 17 2 ) )

= π · ( - 11 4 + 17 2 )

= π · 23 4

= 23 4 π


≈ 18,064

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +1 ) 3 - 1 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 3 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 27 - 1 6 1 )

= π · ( 9 2 - 1 6 )

= π · ( 27 6 - 1 6 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614