Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +2 ) 3 - 1 6 ( 21 +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 6 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 216 - 1 6 64 )

= π · ( 36 - 32 3 )

= π · ( 108 3 - 32 3 )

= π · 76 3

= 76 3 π


≈ 79,587

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( 2x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 3 ( -16 ( 2x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 8 ( 2x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 3

= π [ 8 2x +2 - 16 x ] 1 3

= π · ( 8 23 +2 - 16 3 - ( 8 21 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 8 6 +2 -16( 1 3 ) - ( 8 2 +2 -161 ) )

= π · ( 8 8 - 16 3 - ( 8 4 -16 ) )

= π · ( 8( 1 8 ) - 16 3 - ( 8( 1 4 ) -16 ) )

= π · ( 1 - 16 3 - ( 2 -16 ) )

= π · ( 3 3 - 16 3 -1 · ( -14 ) )

= π · ( - 13 3 +14 )

= π · ( - 13 3 + 42 3 )

= π · ( - 13 3 +14 )

= π · 29 3

= 29 3 π


≈ 30,369

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,3x 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 = 3 e 0,3x -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 3 ( 3 e 0,3x -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e 0,6x -6 e 0,3x +1 ) x

= π [ 15 e 0,6x -20 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 15 e 0,63 -20 e 0,33 +3 - ( 15 e 0,60 -20 e 0,30 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 - ( 15 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 - ( 15 -20 +0) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +3 +5 )

= π · ( 15 e 1,8 -20 e 0,9 +8 )


≈ 155,674