Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +1 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 5 x +1 ) 2 x
= π 0 2 25 ( x +1 ) 2 x
= π 0 2 25 ( x +1 ) -2 x

= π [ -25 ( x +1 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 x +1 ] 0 2

= π · ( - 25 2 +1 + 25 0 +1 )

= π · ( - 25 3 + 25 1 )

= π · ( -25( 1 3 ) +251 )

= π · ( - 25 3 +25 )

= π · ( - 25 3 + 75 3 )

= π · 50 3

= 50 3 π


≈ 52,36

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +1 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +1 ) - 4 x ] 1 4

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

= π · ( 4 3( 12 +1 ) -4( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +1 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 13 -1 - ( 4 3 4 -4 ) )

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

= π · ( 4 39 -1 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 4 39 - 39 39 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 35 39 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 35 39 + 11 3 )

= π · 36 13

= 36 13 π


≈ 8,7

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( x ) 2 x
= π 0 3 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 0 )

= π · ( 9 +0 )

= π · 9

= 9π


≈ 28,274