Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 28 ( x +4 ) 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 ( 28 ( x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 784 ( x +4 ) 4 x
= π 0 3 784 ( x +4 ) -4 x

= π [ - 784 3 ( x +4 ) -3 ] 0 3

= π [ - 784 3 ( x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 784 3 ( 3 +4 ) 3 + 784 3 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 784 3 7 3 + 784 3 4 3 )

= π · ( - 784 3 ( 1 343 ) + 784 3 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 21 + 49 12 )

= π · ( - 64 84 + 343 84 )

= π · 93 28

= 93 28 π


≈ 10,435

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 2x +4 ) 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 ( 18 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 324 x 4 - 324 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 324 ( 2x +4 ) 4 + 324 x 4 ) x
= π 1 3 ( -324 ( 2x +4 ) -4 +324 x -4 ) x

= π [ 54 ( 2x +4 ) -3 -108 x -3 ] 1 3

= π [ 54 ( 2x +4 ) 3 - 108 x 3 ] 1 3

= π · ( 54 ( 23 +4 ) 3 - 108 3 3 - ( 54 ( 21 +4 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 54 ( 6 +4 ) 3 -108( 1 27 ) - ( 54 ( 2 +4 ) 3 -1081 ) )

= π · ( 54 10 3 -4 - ( 54 6 3 -108 ) )

= π · ( 54( 1 1000 ) -4 - ( 54( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 27 500 -4 - ( 1 4 -108 ) )

= π · ( 27 500 - 2000 500 - ( 1 4 - 432 4 ) )

= π · ( - 1973 500 -1 · ( - 431 4 ) )

= π · ( - 1973 500 + 431 4 )

= π · 25951 250

= 25951 250 π


≈ 326,11

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,2x 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 = e 0,2x -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 ( e 0,2x -1 ) 2 x

= π 0 2 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 2

= π · ( 5 2 e 0,42 -10 e 0,22 +2 - ( 5 2 e 0,40 -10 e 0,20 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 + 19 2 )


≈ 0,457