Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( 3x +3 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +3 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 9 ( 32 +3 ) 3 - 1 9 ( 31 +3 ) 3 )

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

= π · ( 1 9 9 3 - 1 9 6 3 )

= π · ( 1 9 729 - 1 9 216 )

= π · ( 81 -24 )

= π · 57

= 57π


≈ 179,071

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 9 ( 3x +3 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 4 ( -9 ( 3x +3 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +3 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 3 3x +3 - 9 x ] 1 4

= π · ( 3 34 +3 - 9 4 - ( 3 31 +3 - 9 1 ) )

= π · ( 3 12 +3 -9( 1 4 ) - ( 3 3 +3 -91 ) )

= π · ( 3 15 - 9 4 - ( 3 6 -9 ) )

= π · ( 3( 1 15 ) - 9 4 - ( 3( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 1 5 - 9 4 - ( 1 2 -9 ) )

= π · ( 4 20 - 45 20 - ( 1 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 41 20 -1 · ( - 17 2 ) )

= π · ( - 41 20 + 17 2 )

= π · 129 20

= 129 20 π


≈ 20,263

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 [0,1] 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 1 ( 2x +3 -2 ) 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