Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 20 ( 3x +2 ) 2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 20 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x
= π 0 1 400 ( 3x +2 ) 4 x
= π 0 1 400 ( 3x +2 ) -4 x

= π [ - 400 9 ( 3x +2 ) -3 ] 0 1

= π [ - 400 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 400 9 ( 31 +2 ) 3 + 400 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( - 400 9 ( 3 +2 ) 3 + 400 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 400 9 5 3 + 400 9 2 3 )

= π · ( - 400 9 ( 1 125 ) + 400 9 ( 1 8 ) )

= π · ( - 16 45 + 50 9 )

= π · ( - 16 45 + 250 45 )

= π · 26 5

= 26 5 π


≈ 16,336

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 2x +3 ) 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 10 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 100 x 4 - 100 ( 2x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 100 ( 2x +3 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 2 ( -100 ( 2x +3 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 50 3 ( 2x +3 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 2

= π [ 50 3 ( 2x +3 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 50 3 ( 22 +3 ) 3 - 100 3 2 3 - ( 50 3 ( 21 +3 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 50 3 ( 4 +3 ) 3 - 100 3 ( 1 8 ) - ( 50 3 ( 2 +3 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 50 3 7 3 - 25 6 - ( 50 3 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 50 3 ( 1 343 ) - 25 6 - ( 50 3 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 50 1029 - 25 6 - ( 2 15 - 100 3 ) )

= π · ( 100 2058 - 8575 2058 - ( 2 15 - 500 15 ) )

= π · ( - 2825 686 -1 · ( - 166 5 ) )

= π · ( - 2825 686 + 166 5 )

= π · 99751 3430

= 99751 3430 π


≈ 91,364

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 [0,2] 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 2 ( 2x +2 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ( 22 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 1 )

= π · ( 125 6 - 1 6 )

= π · 62 3

= 62 3 π


≈ 64,926