Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 2 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 3 ( 2 +1 ) 3 - 1 3 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 1 )

= π · ( 9 - 1 3 )

= π · ( 27 3 - 1 3 )

= π · 26 3

= 26 3 π


≈ 27,227

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 4 - 9 ( 2x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) -3 -3 x -3 ] 1 3

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) 3 - 3 x 3 ] 1 3

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

= π · ( 3 2 ( 6 +1 ) 3 -3( 1 27 ) - ( 3 2 ( 2 +1 ) 3 -31 ) )

= π · ( 3 2 7 3 - 1 9 - ( 3 2 3 3 -3 ) )

= π · ( 3 2 ( 1 343 ) - 1 9 - ( 3 2 ( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 3 686 - 1 9 - ( 1 18 -3 ) )

= π · ( 27 6174 - 686 6174 - ( 1 18 - 54 18 ) )

= π · ( - 659 6174 -1 · ( - 53 18 ) )

= π · ( - 659 6174 + 53 18 )

= π · 2920 1029

= 2920 1029 π


≈ 8,915

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e 0,2x -4 e 0,1x +1 ) x

= π [ 20 e 0,2x -40 e 0,1x + x ] 0 1

= π · ( 20 e 0,21 -40 e 0,11 +1 - ( 20 e 0,20 -40 e 0,10 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 - ( 20 e 0 -40 e 0 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 - ( 20 -40 +0) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 -1 · ( -20 ) )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +1 +20 )

= π · ( 20 e 0,2 -40 e 0,1 +21 )


≈ 3,837