Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ x 4 + 1 3 x 3 +2x ] 0 2

= π · ( 2 4 + 1 3 2 3 +22 - ( 0 4 + 1 3 0 3 +20 ) )

= π · ( 16 + 1 3 8 +4 - ( 0 + 1 3 0 +0) )

= π · ( 16 + 8 3 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 48 3 + 8 3 + 12 3 +0 )

= π · ( 68 3 )

= 68 3 π


≈ 71,209

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( 3x +1 ) 2 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 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 64 x 4 - 64 ( 3x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 64 ( 3x +1 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 4 ( -64 ( 3x +1 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 4

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 64 9 ( 34 +1 ) 3 - 64 3 4 3 - ( 64 9 ( 31 +1 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 64 9 ( 12 +1 ) 3 - 64 3 ( 1 64 ) - ( 64 9 ( 3 +1 ) 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 64 9 13 3 - 1 3 - ( 64 9 4 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 9 ( 1 2197 ) - 1 3 - ( 64 9 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 64 19773 - 1 3 - ( 1 9 - 64 3 ) )

= π · ( 64 19773 - 6591 19773 - ( 1 9 - 192 9 ) )

= π · ( - 6527 19773 -1 · ( - 191 9 ) )

= π · ( - 6527 19773 + 191 9 )

= π · 45900 2197

= 45900 2197 π


≈ 65,635

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( x ) 2 x
= π 0 2 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378