Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x 2 + x +3 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ 4 3 x 3 + 1 2 x 2 +3x ] 0 2

= π · ( 4 3 2 3 + 1 2 2 2 +32 - ( 4 3 0 3 + 1 2 0 2 +30 ) )

= π · ( 4 3 8 + 1 2 4 +6 - ( 4 3 0 + 1 2 0 +0) )

= π · ( 32 3 +2 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 32 3 + 6 3 + 18 3 +0 )

= π · ( 56 3 )

= 56 3 π


≈ 58,643

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +2 ) 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 3 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 100 9 ( 33 +2 ) 3 - 100 3 3 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 9 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 27 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 11 3 - 100 81 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 1331 ) - 100 81 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 100 11979 - 100 81 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 900 107811 - 133100 107811 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 + 1496 45 )

= π · 17259584 539055

= 17259584 539055 π


≈ 100,588

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 9 e 0,6x -12 e 0,3x +4 ) x

= π [ 15 e 0,6x -40 e 0,3x +4x ] 0 2

= π · ( 15 e 0,62 -40 e 0,32 +42 - ( 15 e 0,60 -40 e 0,30 +40 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 - ( 15 e 0 -40 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 - ( 15 -40 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 -1 · ( -25 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 +25 )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +33 )


≈ 31,155