Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 2x +2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 4 2x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 2x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 2x +2 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 8 2x +2 ] 0 1

= π · ( - 8 21 +2 + 8 20 +2 )

= π · ( - 8 2 +2 + 8 0 +2 )

= π · ( - 8 4 + 8 2 )

= π · ( -8( 1 4 ) +8( 1 2 ) )

= π · ( -2 +4 )

= π · 2

= 2π


≈ 6,283

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 4 ( x +1 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 x +1 - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 2 +1 - 4 2 - ( 4 1 +1 - 4 1 ) )

= π · ( 4 3 -4( 1 2 ) - ( 4 2 -41 ) )

= π · ( 4( 1 3 ) -2 - ( 4( 1 2 ) -4 ) )

= π · ( 4 3 -2 - ( 2 -4 ) )

= π · ( 4 3 - 6 3 -1 · ( -2 ) )

= π · ( - 2 3 +2 )

= π · ( - 2 3 + 6 3 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +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 = 2x +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 ( 2x +1 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x ) 2 x
= π 0 2 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 4 3 2 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 8 - 4 3 0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · 32 3

= 32 3 π


≈ 33,51