Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ 1 3 x 3 + 1 2 x 2 +2x ] 0 3

= π · ( 1 3 3 3 + 1 2 3 2 +23 - ( 1 3 0 3 + 1 2 0 2 +20 ) )

= π · ( 1 3 27 + 1 2 9 +6 - ( 1 3 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 9 + 9 2 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 18 2 + 9 2 + 12 2 +0 )

= π · ( 39 2 )

= 39 2 π


≈ 61,261

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( x +3 ) 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 12 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 144 x 4 - 144 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 144 ( x +3 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 2 ( -144 ( x +3 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 48 ( x +3 ) -3 -48 x -3 ] 1 2

= π [ 48 ( x +3 ) 3 - 48 x 3 ] 1 2

= π · ( 48 ( 2 +3 ) 3 - 48 2 3 - ( 48 ( 1 +3 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 48 5 3 -48( 1 8 ) - ( 48 4 3 -481 ) )

= π · ( 48( 1 125 ) -6 - ( 48( 1 64 ) -48 ) )

= π · ( 48 125 -6 - ( 3 4 -48 ) )

= π · ( 48 125 - 750 125 - ( 3 4 - 192 4 ) )

= π · ( - 702 125 -1 · ( - 189 4 ) )

= π · ( - 702 125 + 189 4 )

= π · ( - 2808 500 + 23625 500 )

= π · ( - 702 125 + 189 4 )

= π · 20817 500

= 20817 500 π


≈ 130,797

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = x +3 -2
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 +3 -2 ) 2 x

= π 0 1 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

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

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 1 )

= π · ( 8 3 - 1 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33