Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 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 ( e -x ) 2 ⅆ x
= π ∫ -1 2 e -2x ⅆ x

= π [ - 1 2 e -2x ] -1 2

= π · ( - 1 2 e -2⋅2 + 1 2 e -2⋅( -1 ) )

= π · ( - 1 2 e -4 + 1 2 e 2 )

= π · ( 1 2 e 2 - 1 2 e -4 )


≈ 11,578

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 3 x 2 und g(x)= 3 ( 2x +1 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] 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 4 ( 3 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 3 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 4 ( ( 3 x 2 ) 2 - ( 3 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( 9 x 4 - 9 ( 2x +1 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 9 ( 2x +1 ) 4 + 9 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -9 ( 2x +1 ) -4 +9 x -4 ) ⅆ x

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) -3 -3 x -3 ] 1 4

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) 3 - 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 3 2 ( 2⋅4 +1 ) 3 - 3 4 3 - ( 3 2 ( 2⋅1 +1 ) 3 - 3 1 3 ) )

= π · ( 3 2 ( 8 +1 ) 3 -3⋅( 1 64 ) - ( 3 2 ( 2 +1 ) 3 -3⋅1 ) )

= π · ( 3 2⋅ 9 3 - 3 64 - ( 3 2⋅ 3 3 -3 ) )

= π · ( 3 2 ⋅( 1 729 ) - 3 64 - ( 3 2 ⋅( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 1 486 - 3 64 - ( 1 18 -3 ) )

= π · ( 32 15552 - 729 15552 - ( 1 18 - 54 18 ) )

= π · ( - 697 15552 -1 · ( - 53 18 ) )

= π · ( - 697 15552 + 53 18 )

= π · 45095 15552

= 45095 15552 π


≈ 9,109

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 2 ( x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 x 2 ⅆ x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 1 3 ⋅ 2 3 - 1 3 ⋅ 0 3 )

= π · ( 1 3 ⋅8 - 1 3 ⋅0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378