Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 21 ( 2x +3 ) 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 ( 21 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 441 ( 2x +3 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 2 441 ( 2x +3 ) -4 ⅆ x

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 147 2 ( 2⋅2 +3 ) 3 + 147 2 ( 2⋅0 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2 ( 4 +3 ) 3 + 147 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2⋅ 7 3 + 147 2⋅ 3 3 )

= π · ( - 147 2 ⋅( 1 343 ) + 147 2 ⋅( 1 27 ) )

= π · ( - 3 14 + 49 18 )

= π · ( - 27 126 + 343 126 )

= π · 158 63

= 158 63 π


≈ 7,879

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 3x +3 ) 2 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 ( 18 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 2 ( 18 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 2 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 2 ( 324 x 4 - 324 ( 3x +3 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 2 ( - 324 ( 3x +3 ) 4 + 324 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 2 ( -324 ( 3x +3 ) -4 +324 x -4 ) ⅆ x

= π [ 36 ( 3x +3 ) -3 -108 x -3 ] 1 2

= π [ 36 ( 3x +3 ) 3 - 108 x 3 ] 1 2

= π · ( 36 ( 3⋅2 +3 ) 3 - 108 2 3 - ( 36 ( 3⋅1 +3 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 36 ( 6 +3 ) 3 -108⋅( 1 8 ) - ( 36 ( 3 +3 ) 3 -108⋅1 ) )

= π · ( 36 9 3 - 27 2 - ( 36 6 3 -108 ) )

= π · ( 36⋅( 1 729 ) - 27 2 - ( 36⋅( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 4 81 - 27 2 - ( 1 6 -108 ) )

= π · ( 8 162 - 2187 162 - ( 1 6 - 648 6 ) )

= π · ( - 2179 162 -1 · ( - 647 6 ) )

= π · ( - 2179 162 + 647 6 )

= π · 7645 81

= 7645 81 π


≈ 296,512

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 6x +10 3x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] 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 = 6x +10 3x +3 -2 = 6x +10 3x +3 - 2( 3x +3 ) 3x +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 2 ( 6x +10 3x +3 - 2( 3x +3 ) 3x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( 6x +10 -6x -6 3x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( 4 3x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 4 2 · 1 ( 3x +3 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 16 ( 3x +3 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 16 ( 3x +3 ) -2 ⅆ x

= π [ - 16 3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 2

= π [ - 16 3( 3x +3 ) ] 0 2

= π · ( - 16 3( 3⋅2 +3 ) + 16 3( 3⋅0 +3 ) )

= π · ( - 16 3( 6 +3 ) + 16 3( 0 +3 ) )

= π · ( - 16 3⋅ 9 + 16 3⋅ 3 )

= π · ( - 16 3 ⋅( 1 9 ) + 16 3 ⋅( 1 3 ) )

= π · ( - 16 27 + 16 9 )

= π · ( - 16 27 + 48 27 )

= π · 32 27

= 32 27 π


≈ 3,723