Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +4 x 2 +5 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 2 x 3 +4 x 2 +5 ) 2 x
= π 0 2 ( 2 x 3 +4 x 2 +5 ) x

= π [ 1 2 x 4 + 4 3 x 3 +5x ] 0 2

= π · ( 1 2 2 4 + 4 3 2 3 +52 - ( 1 2 0 4 + 4 3 0 3 +50 ) )

= π · ( 1 2 16 + 4 3 8 +10 - ( 1 2 0 + 4 3 0 +0) )

= π · ( 8 + 32 3 +10 - (0+0+0) )

= π · ( 24 3 + 32 3 + 30 3 +0 )

= π · ( 86 3 )

= 86 3 π


≈ 90,059

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( x +3 ) 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 12 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 144 x 4 - 144 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 144 ( x +3 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 3 ( -144 ( x +3 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 48 ( x +3 ) -3 -48 x -3 ] 1 3

= π [ 48 ( x +3 ) 3 - 48 x 3 ] 1 3

= π · ( 48 ( 3 +3 ) 3 - 48 3 3 - ( 48 ( 1 +3 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 48 6 3 -48( 1 27 ) - ( 48 4 3 -481 ) )

= π · ( 48( 1 216 ) - 16 9 - ( 48( 1 64 ) -48 ) )

= π · ( 2 9 - 16 9 - ( 3 4 -48 ) )

= π · ( - 14 9 - ( 3 4 - 192 4 ) )

= π · ( - 14 9 -1 · ( - 189 4 ) )

= π · ( - 14 9 + 189 4 )

= π · ( - 56 36 + 1701 36 )

= π · ( - 14 9 + 189 4 )

= π · 1645 36

= 1645 36 π


≈ 143,553

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +4 3x +2 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 = 3x +4 3x +2 -1 = 3x +4 3x +2 - 3x +2 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 3 ( 3x +4 3x +2 - 3x +2 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +4 -3x -2 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 2 2 · 1 ( 3x +2 ) 2 x

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

= π [ - 4 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 4 3( 3x +2 ) ] 0 3

= π · ( - 4 3( 33 +2 ) + 4 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 4 3( 9 +2 ) + 4 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 4 3 11 + 4 3 2 )

= π · ( - 4 3 ( 1 11 ) + 4 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 4 33 + 2 3 )

= π · ( - 4 33 + 22 33 )

= π · 6 11

= 6 11 π


≈ 1,714