Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -2x 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 -2x ) 2 x
= π 1 2 4 e -4x x

= π [ - e -4x ] 1 2

= π · ( - e -42 + e -41 )

= π · ( - e -8 + e -4 )

= π · ( e -4 - e -8 )


≈ 0,056

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 2x +2 ) 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 12 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 2x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 144 x 4 - 144 ( 2x +2 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 144 ( 2x +2 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 4 ( -144 ( 2x +2 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 24 ( 2x +2 ) -3 -48 x -3 ] 1 4

= π [ 24 ( 2x +2 ) 3 - 48 x 3 ] 1 4

= π · ( 24 ( 24 +2 ) 3 - 48 4 3 - ( 24 ( 21 +2 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 24 ( 8 +2 ) 3 -48( 1 64 ) - ( 24 ( 2 +2 ) 3 -481 ) )

= π · ( 24 10 3 - 3 4 - ( 24 4 3 -48 ) )

= π · ( 24( 1 1000 ) - 3 4 - ( 24( 1 64 ) -48 ) )

= π · ( 3 125 - 3 4 - ( 3 8 -48 ) )

= π · ( 12 500 - 375 500 - ( 3 8 - 384 8 ) )

= π · ( - 363 500 -1 · ( - 381 8 ) )

= π · ( - 363 500 + 381 8 )

= π · 46899 1000

= 46899 1000 π


≈ 147,338

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 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 = 2x +2 -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 ( 2x +2 -1 ) 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