Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 3x +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 ( 3 3x +2 ) 2 x
= π 0 2 9 ( 3x +2 ) 2 x
= π 0 2 9 ( 3x +2 ) -2 x

= π [ -3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 3 3x +2 ] 0 2

= π · ( - 3 32 +2 + 3 30 +2 )

= π · ( - 3 6 +2 + 3 0 +2 )

= π · ( - 3 8 + 3 2 )

= π · ( -3( 1 8 ) +3( 1 2 ) )

= π · ( - 3 8 + 3 2 )

= π · ( - 3 8 + 12 8 )

= π · 9 8

= 9 8 π


≈ 3,534

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +3 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +3 - 4 3 - ( 2 21 +3 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +3 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +3 -41 ) )

= π · ( 2 9 - 4 3 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2( 1 9 ) - 4 3 - ( 2( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 9 - 4 3 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2 9 - 12 9 - ( 2 5 - 20 5 ) )

= π · ( - 10 9 -1 · ( - 18 5 ) )

= π · ( - 10 9 + 18 5 )

= π · 112 45

= 112 45 π


≈ 7,819

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,1x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 3 e 0,1x -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 3 ( 3 e 0,1x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e 0,2x -6 e 0,1x +1 ) x

= π [ 45 e 0,2x -60 e 0,1x + x ] 0 3

= π · ( 45 e 0,23 -60 e 0,13 +3 - ( 45 e 0,20 -60 e 0,10 +0) )

= π · ( 45 e 0,6 -60 e 0,3 +3 - ( 45 e 0 -60 e 0 +0) )

= π · ( 45 e 0,6 -60 e 0,3 +3 - ( 45 -60 +0) )

= π · ( 45 e 0,6 -60 e 0,3 +3 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 45 e 0,6 -60 e 0,3 +3 +15 )

= π · ( 45 e 0,6 -60 e 0,3 +18 )


≈ 59,702