Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 14 ( 3x +1 ) 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 ( 14 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 196 ( 3x +1 ) 4 x
= π 0 2 196 ( 3x +1 ) -4 x

= π [ - 196 9 ( 3x +1 ) -3 ] 0 2

= π [ - 196 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 196 9 ( 32 +1 ) 3 + 196 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( - 196 9 ( 6 +1 ) 3 + 196 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 196 9 7 3 + 196 9 1 3 )

= π · ( - 196 9 ( 1 343 ) + 196 9 1 )

= π · ( - 4 63 + 196 9 )

= π · ( - 4 63 + 1372 63 )

= π · 152 7

= 152 7 π


≈ 68,217

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +1 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 2x +1 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +1 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +1 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 25 ( 2x +1 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 3 ( -25 ( 2x +1 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +1 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 2( 2x +1 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 2( 23 +1 ) - 25 3 - ( 25 2( 21 +1 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 6 +1 ) -25( 1 3 ) - ( 25 2( 2 +1 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 7 - 25 3 - ( 25 2 3 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 7 ) - 25 3 - ( 25 2 ( 1 3 ) -25 ) )

= π · ( 25 14 - 25 3 - ( 25 6 -25 ) )

= π · ( 75 42 - 350 42 - ( 25 6 - 150 6 ) )

= π · ( - 275 42 -1 · ( - 125 6 ) )

= π · ( - 275 42 + 125 6 )

= π · 100 7

= 100 7 π


≈ 44,88

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2x +3 -2
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 ( 2x +3 -2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 7 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 343 - 1 6 1 )

= π · ( 343 6 - 1 6 )

= π · 57

= 57π


≈ 179,071