Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ 1 3 ( x +4 ) 3 ] 0 3

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

= π · ( 1 3 7 3 - 1 3 4 3 )

= π · ( 1 3 343 - 1 3 64 )

= π · ( 343 3 - 64 3 )

= π · 93

= 93π


≈ 292,168

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +1 ) 2 ) x

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

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

= π [ 25 3( 3x +1 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 3( 33 +1 ) - 25 3 - ( 25 3( 31 +1 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 9 +1 ) -25( 1 3 ) - ( 25 3( 3 +1 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 10 - 25 3 - ( 25 3 4 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 10 ) - 25 3 - ( 25 3 ( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 5 6 - 25 3 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 5 6 - 50 6 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 15 2 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 15 2 + 275 12 )

= π · 185 12

= 185 12 π


≈ 48,433

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +11 2x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 6x +11 2x +3 -3 = 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3
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 ( 6x +11 2x +3 - 3( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 6x +11 -6x -9 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 4 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 4 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +3 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +3 + 2 20 +3 )

= π · ( - 2 6 +3 + 2 0 +3 )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( -2( 1 9 ) +2( 1 3 ) )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( - 2 9 + 6 9 )

= π · 4 9

= 4 9 π


≈ 1,396