Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ -3 e -x ] 0 2

= π · ( -3 e -2 +3 e -0 )

= π · ( -3 e -2 +3 )


≈ 8,149

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x und g(x)= 4 2x +1 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] 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 4 ( 4 x ) 2 x - π 1 4 ( 4 2x +1 ) 2 x

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

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 2x +1 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( 2x +1 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( 2x +1 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 8 ( 2x +1 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 8 2x +1 - 16 x ] 1 4

= π · ( 8 24 +1 - 16 4 - ( 8 21 +1 - 16 1 ) )

= π · ( 8 8 +1 -16( 1 4 ) - ( 8 2 +1 -161 ) )

= π · ( 8 9 -4 - ( 8 3 -16 ) )

= π · ( 8( 1 9 ) -4 - ( 8( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 8 9 -4 - ( 8 3 -16 ) )

= π · ( 8 9 - 36 9 - ( 8 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 28 9 -1 · ( - 40 3 ) )

= π · ( - 28 9 + 40 3 )

= π · 92 9

= 92 9 π


≈ 32,114

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 = x +2 -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 2 ( x +2 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 1 )

= π · ( 9 - 1 3 )

= π · ( 27 3 - 1 3 )

= π · 26 3

= 26 3 π


≈ 27,227