Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 0 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] -1 0

= π · ( 1 6 ( 20 +2 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 0 +2 ) 3 - 1 6 ( -2 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 2 3 - 1 6 0 3 )

= π · ( 1 6 8 - 1 6 0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +4 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 3( 3x +4 ) - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 3( 32 +4 ) - 4 2 - ( 4 3( 31 +4 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 6 +4 ) -4( 1 2 ) - ( 4 3( 3 +4 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 10 -2 - ( 4 3 7 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 10 ) -2 - ( 4 3 ( 1 7 ) -4 ) )

= π · ( 2 15 -2 - ( 4 21 -4 ) )

= π · ( 2 15 - 30 15 - ( 4 21 - 84 21 ) )

= π · ( - 28 15 -1 · ( - 80 21 ) )

= π · ( - 28 15 + 80 21 )

= π · 68 35

= 68 35 π


≈ 6,104

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +5 x +1 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2x +5 x +1 -2 = 2x +5 x +1 - 2( x +1 ) x +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 ( 2x +5 x +1 - 2( x +1 ) x +1 ) 2 x

= π 0 3 ( 2x +5 -2x -2 x +1 ) 2 x

= π 0 3 ( 3 x +1 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 3 9 ( x +1 ) 2 x
= π 0 3 9 ( x +1 ) -2 x

= π [ -9 ( x +1 ) -1 ] 0 3

= π [ - 9 x +1 ] 0 3

= π · ( - 9 3 +1 + 9 0 +1 )

= π · ( - 9 4 + 9 1 )

= π · ( -9( 1 4 ) +91 )

= π · ( - 9 4 +9 )

= π · ( - 9 4 + 36 4 )

= π · 27 4

= 27 4 π


≈ 21,206