Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +4 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +4 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +4 ) 3 - 1 6 ( -2 +4 ) 3 )

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 8 )

= π · ( 256 3 - 4 3 )

= π · 84

= 84π


≈ 263,894

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 [1,2] 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 2 ( 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 2 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +1 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +1 ) 2 ) x

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

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

= π [ 25 3( 3x +1 ) - 25 x ] 1 2

= π · ( 25 3( 32 +1 ) - 25 2 - ( 25 3( 31 +1 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 6 +1 ) -25( 1 2 ) - ( 25 3( 3 +1 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 7 - 25 2 - ( 25 3 4 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 7 ) - 25 2 - ( 25 3 ( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 25 21 - 25 2 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 50 42 - 525 42 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 475 42 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 475 42 + 275 12 )

= π · 325 28

= 325 28 π


≈ 36,465

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +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 = 3x +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 ( 3x +3 -2 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 9 ( 31 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 3 +1 ) 3 - 1 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 4 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 64 - 1 9 1 )

= π · ( 64 9 - 1 9 )

= π · 7

= 7π


≈ 21,991