Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3x +1 soll im Intervall [1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 1 2 ( 3x +1 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 9 ⋅ ( 3⋅2 +1 ) 3 - 1 9 ⋅ ( 3⋅1 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ⋅ ( 6 +1 ) 3 - 1 9 ⋅ ( 3 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ⋅ 7 3 - 1 9 ⋅ 4 3 )

= π · ( 1 9 ⋅343 - 1 9 ⋅64 )

= π · ( 343 9 - 64 9 )

= π · 31

= 31π


≈ 97,389

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π ∫ 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +4 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 2 ( - 16 ( 3x +4 ) 2 + 16 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 2 ( -16 ( 3x +4 ) -2 +16 x -2 ) ⅆ x

= π [ 16 3 ( 3x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 3( 3x +4 ) - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 3( 3⋅2 +4 ) - 16 2 - ( 16 3( 3⋅1 +4 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 6 +4 ) -16⋅( 1 2 ) - ( 16 3( 3 +4 ) -16⋅1 ) )

= π · ( 16 3⋅ 10 -8 - ( 16 3⋅ 7 -16 ) )

= π · ( 16 3 ⋅( 1 10 ) -8 - ( 16 3 ⋅( 1 7 ) -16 ) )

= π · ( 8 15 -8 - ( 16 21 -16 ) )

= π · ( 8 15 - 120 15 - ( 16 21 - 336 21 ) )

= π · ( - 112 15 -1 · ( - 320 21 ) )

= π · ( - 112 15 + 320 21 )

= π · 272 35

= 272 35 π


≈ 24,415

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = x +2 -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 1 ( x +2 -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( x +1 ) 2 ⅆ 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