Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 3x +1 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 5 3x +1 ) 2 x
= π 0 1 25 ( 3x +1 ) 2 x
= π 0 1 25 ( 3x +1 ) -2 x

= π [ - 25 3 ( 3x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 3( 3x +1 ) ] 0 1

= π · ( - 25 3( 31 +1 ) + 25 3( 30 +1 ) )

= π · ( - 25 3( 3 +1 ) + 25 3( 0 +1 ) )

= π · ( - 25 3 4 + 25 3 )

= π · ( - 25 3 ( 1 4 ) + 25 3 1 )

= π · ( - 25 12 + 25 3 )

= π · ( - 25 12 + 100 12 )

= π · 25 4

= 25 4 π


≈ 19,635

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +2 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +2 - 4 3 - ( 2 21 +2 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +2 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +2 -41 ) )

= π · ( 2 8 - 4 3 - ( 2 4 -4 ) )

= π · ( 2( 1 8 ) - 4 3 - ( 2( 1 4 ) -4 ) )

= π · ( 1 4 - 4 3 - ( 1 2 -4 ) )

= π · ( 3 12 - 16 12 - ( 1 2 - 8 2 ) )

= π · ( - 13 12 -1 · ( - 7 2 ) )

= π · ( - 13 12 + 7 2 )

= π · 29 12

= 29 12 π


≈ 7,592

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +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 = 3x +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 ( 3x +1 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 3x ) 2 x
= π 0 2 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 3 2 3 -3 0 3 )

= π · ( 38 -30 )

= π · ( 24 +0 )

= π · 24

= 24π


≈ 75,398