Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3x +3 soll im Intervall [1,4] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 1 4 ( 3x +3 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +3 ) 3 ] 1 4

= π · ( 1 9 ( 34 +3 ) 3 - 1 9 ( 31 +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 12 +3 ) 3 - 1 9 ( 3 +3 ) 3 )

= π · ( 1 9 15 3 - 1 9 6 3 )

= π · ( 1 9 3375 - 1 9 216 )

= π · ( 375 -24 )

= π · 351

= 351π


≈ 1102,699

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +2 - 16 x ] 1 4

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

= π · ( 16 6 -16( 1 4 ) - ( 16 3 -161 ) )

= π · ( 16( 1 6 ) -4 - ( 16( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 8 3 -4 - ( 16 3 -16 ) )

= π · ( 8 3 - 12 3 - ( 16 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 4 3 -1 · ( - 32 3 ) )

= π · ( - 4 3 + 32 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +5 x +3 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 +5 x +3 -1 = x +5 x +3 - x +3 x +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 +5 x +3 - x +3 x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( x +5 - x -3 x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 x +3 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( x +3 ) 2 x

= π 0 3 4 ( x +3 ) 2 x
= π 0 3 4 ( x +3 ) -2 x

= π [ -4 ( x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 4 x +3 ] 0 3

= π · ( - 4 3 +3 + 4 0 +3 )

= π · ( - 4 6 + 4 3 )

= π · ( -4( 1 6 ) +4( 1 3 ) )

= π · ( - 2 3 + 4 3 )

= π · 2 3

= 2 3 π


≈ 2,094