Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 36 ( 2x +2 ) 2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 36 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 1296 ( 2x +2 ) 4 x
= π 0 2 1296 ( 2x +2 ) -4 x

= π [ -216 ( 2x +2 ) -3 ] 0 2

= π [ - 216 ( 2x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 216 ( 22 +2 ) 3 + 216 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( - 216 ( 4 +2 ) 3 + 216 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 216 6 3 + 216 2 3 )

= π · ( -216( 1 216 ) +216( 1 8 ) )

= π · ( -1 +27 )

= π · 26

= 26π


≈ 81,681

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 9 2 ( 2x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 2( 2x +4 ) - 9 x ] 1 4

= π · ( 9 2( 24 +4 ) - 9 4 - ( 9 2( 21 +4 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 8 +4 ) -9( 1 4 ) - ( 9 2( 2 +4 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 12 - 9 4 - ( 9 2 6 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 12 ) - 9 4 - ( 9 2 ( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 3 8 - 9 4 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 3 8 - 18 8 - ( 3 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 15 8 -1 · ( - 33 4 ) )

= π · ( - 15 8 + 33 4 )

= π · 51 8

= 51 8 π


≈ 20,028

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,5x 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 = e 0,5x -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 ( e 0,5x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e x -2 e 0,5x +1 ) x

= π [ e x -4 e 0,5x + x ] 0 1

= π · ( e -4 e 0,51 +1 - ( e 0 -4 e 0,50 +0) )

= π · ( e -4 e 0,5 +1 - ( 1 -4 e 0 +0) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e - ( 1 -4 +0) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e -1 · ( -3 ) )

= π · ( -4 e 0,5 +1 + e +3 )

= π · ( -4 e 0,5 +4 + e )


≈ 0,388