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 [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( 2 e -3x ) 2 x
= π -1 2 4 e -6x x

= π [ - 2 3 e -6x ] -1 2

= π · ( - 2 3 e -62 + 2 3 e -6( -1 ) )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 e 6 )

= π · ( 2 3 e 6 - 2 3 e -12 )


≈ 844,939

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 [1,3] 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 ( 4 x ) 2 x - π 1 3 ( 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 3 ( ( 4 x ) 2 - ( 4 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

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

= π [ 16 3( 3x +2 ) - 16 x ] 1 3

= π · ( 16 3( 33 +2 ) - 16 3 - ( 16 3( 31 +2 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 9 +2 ) -16( 1 3 ) - ( 16 3( 3 +2 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 11 - 16 3 - ( 16 3 5 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 11 ) - 16 3 - ( 16 3 ( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 16 33 - 16 3 - ( 16 15 -16 ) )

= π · ( 16 33 - 176 33 - ( 16 15 - 240 15 ) )

= π · ( - 160 33 -1 · ( - 224 15 ) )

= π · ( - 160 33 + 224 15 )

= π · 1664 165

= 1664 165 π


≈ 31,682

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 9 e 0,4x -18 e 0,2x +9 ) x

= π [ 45 2 e 0,4x -90 e 0,2x +9x ] 0 1

= π · ( 45 2 e 0,41 -90 e 0,21 +91 - ( 45 2 e 0,40 -90 e 0,20 +90 ) )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 +9 - ( 45 2 e 0 -90 e 0 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 +9 - ( 45 2 -90 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 +9 - ( 45 2 - 180 2 +0) )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 +9 -1 · ( - 135 2 ) )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 +9 + 135 2 )

= π · ( 45 2 e 0,4 -90 e 0,2 + 153 2 )


≈ 0,439