Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +4 x 2 +3 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 2 x 3 +4 x 2 +3 ) 2 x
= π 0 3 ( 2 x 3 +4 x 2 +3 ) x

= π [ 1 2 x 4 + 4 3 x 3 +3x ] 0 3

= π · ( 1 2 3 4 + 4 3 3 3 +33 - ( 1 2 0 4 + 4 3 0 3 +30 ) )

= π · ( 1 2 81 + 4 3 27 +9 - ( 1 2 0 + 4 3 0 +0) )

= π · ( 81 2 +36 +9 - (0+0+0) )

= π · ( 81 2 + 72 2 + 18 2 +0 )

= π · ( 171 2 )

= 171 2 π


≈ 268,606

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( 3x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 2 ( -16 ( 3x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 3 ( 3x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 3( 3x +2 ) - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 3( 32 +2 ) - 16 2 - ( 16 3( 31 +2 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 6 +2 ) -16( 1 2 ) - ( 16 3( 3 +2 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 8 -8 - ( 16 3 5 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 8 ) -8 - ( 16 3 ( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 2 3 -8 - ( 16 15 -16 ) )

= π · ( 2 3 - 24 3 - ( 16 15 - 240 15 ) )

= π · ( - 22 3 -1 · ( - 224 15 ) )

= π · ( - 22 3 + 224 15 )

= π · 38 5

= 38 5 π


≈ 23,876

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 9 ( 33 +2 ) 3 - 1 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 9 +2 ) 3 - 1 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 11 3 - 1 9 2 3 )

= π · ( 1 9 1331 - 1 9 8 )

= π · ( 1331 9 - 8 9 )

= π · 147

= 147π


≈ 461,814