Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +4 ) 3 - 1 6 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 10 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 1000 - 1 6 64 )

= π · ( 500 3 - 32 3 )

= π · 156

= 156π


≈ 490,088

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 2

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 100 9 ( 32 +2 ) 3 - 100 3 2 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 6 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 8 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 8 3 - 25 6 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 512 ) - 25 6 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 25 1152 - 25 6 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 25 1152 - 4800 1152 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 4775 1152 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 4775 1152 + 1496 45 )

= π · 55871 1920

= 55871 1920 π


≈ 91,419

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +4 und der Geraden y = 4 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 4 (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 = 4 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-4 = x +4 -4
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 ( x +4 -4 ) 2 x

= π 0 1 ( x ) 2 x
= π 0 1 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 1 3 1 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 1 - 1 3 0 )

= π · ( 1 3 +0 )

= π · ( 1 3 +0 )

= π · 1 3

= 1 3 π


≈ 1,047