Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( e -3x ) 2 x
= π 0 1 e -6x x

= π [ - 1 6 e -6x ] 0 1

= π · ( - 1 6 e -61 + 1 6 e -60 )

= π · ( - 1 6 e -6 + 1 6 e 0 )

= π · ( - 1 6 e -6 + 1 6 )


≈ 0,522

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 16 x 4 - 16 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( x +3 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 3 ( -16 ( x +3 ) -4 +16 x -4 ) x

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

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

= π · ( 16 3 ( 3 +3 ) 3 - 16 3 3 3 - ( 16 3 ( 1 +3 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 6 3 - 16 3 ( 1 27 ) - ( 16 3 4 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 216 ) - 16 81 - ( 16 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 2 81 - 16 81 - ( 1 12 - 16 3 ) )

= π · ( - 14 81 - ( 1 12 - 64 12 ) )

= π · ( - 14 81 -1 · ( - 21 4 ) )

= π · ( - 14 81 + 21 4 )

= π · ( - 56 324 + 1701 324 )

= π · ( - 14 81 + 21 4 )

= π · 1645 324

= 1645 324 π


≈ 15,95

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 2 ( 2 ( x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 2 2 · 1 ( x +3 ) 4 x

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

= π [ - 4 3 ( x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 4 3 ( x +3 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( - 4 3 5 3 + 4 3 3 3 )

= π · ( - 4 3 ( 1 125 ) + 4 3 ( 1 27 ) )

= π · ( - 4 375 + 4 81 )

= π · ( - 108 10125 + 500 10125 )

= π · 392 10125

= 392 10125 π


≈ 0,122