Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x 2 + x +2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ x 3 + 1 2 x 2 +2x ] 0 2

= π · ( 2 3 + 1 2 2 2 +22 - ( 0 3 + 1 2 0 2 +20 ) )

= π · ( 8 + 1 2 4 +4 - ( 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 8 +2 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 14 +0 )

= π · ( 14 )

= 14π


≈ 43,982

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 3x +4 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 3x +4 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 3 3x +4 - 9 x ] 1 3

= π · ( 3 33 +4 - 9 3 - ( 3 31 +4 - 9 1 ) )

= π · ( 3 9 +4 -9( 1 3 ) - ( 3 3 +4 -91 ) )

= π · ( 3 13 -3 - ( 3 7 -9 ) )

= π · ( 3( 1 13 ) -3 - ( 3( 1 7 ) -9 ) )

= π · ( 3 13 -3 - ( 3 7 -9 ) )

= π · ( 3 13 - 39 13 - ( 3 7 - 63 7 ) )

= π · ( - 36 13 -1 · ( - 60 7 ) )

= π · ( - 36 13 + 60 7 )

= π · 528 91

= 528 91 π


≈ 18,228

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 2x ) 2 x
= π 0 3 4 x 2 x

= π [ 4 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 4 3 3 3 - 4 3 0 3 )

= π · ( 4 3 27 - 4 3 0 )

= π · ( 36 +0 )

= π · 36

= 36π


≈ 113,097