Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 0 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] -1 0

= π · ( 1 6 ( 20 +2 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 2 3 - 1 6 0 3 )

= π · ( 1 6 8 - 1 6 0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · ( 4 3 +0 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( 2x +1 ) 2 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 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 9 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

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

= π 1 4 ( 81 x 4 - 81 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 81 ( 2x +1 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 4 ( -81 ( 2x +1 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 2 ( 2x +1 ) -3 -27 x -3 ] 1 4

= π [ 27 2 ( 2x +1 ) 3 - 27 x 3 ] 1 4

= π · ( 27 2 ( 24 +1 ) 3 - 27 4 3 - ( 27 2 ( 21 +1 ) 3 - 27 1 3 ) )

= π · ( 27 2 ( 8 +1 ) 3 -27( 1 64 ) - ( 27 2 ( 2 +1 ) 3 -271 ) )

= π · ( 27 2 9 3 - 27 64 - ( 27 2 3 3 -27 ) )

= π · ( 27 2 ( 1 729 ) - 27 64 - ( 27 2 ( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 1 54 - 27 64 - ( 1 2 -27 ) )

= π · ( 32 1728 - 729 1728 - ( 1 2 - 54 2 ) )

= π · ( - 697 1728 -1 · ( - 53 2 ) )

= π · ( - 697 1728 + 53 2 )

= π · 45095 1728

= 45095 1728 π


≈ 81,985

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +8 2x +3 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 2x +8 2x +3 -1 = 2x +8 2x +3 - 2x +3 2x +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 1 ( 2x +8 2x +3 - 2x +3 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +8 -2x -3 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 25 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 2( 2x +3 ) ] 0 1

= π · ( - 25 2( 21 +3 ) + 25 2( 20 +3 ) )

= π · ( - 25 2( 2 +3 ) + 25 2( 0 +3 ) )

= π · ( - 25 2 5 + 25 2 3 )

= π · ( - 25 2 ( 1 5 ) + 25 2 ( 1 3 ) )

= π · ( - 5 2 + 25 6 )

= π · ( - 15 6 + 25 6 )

= π · 5 3

= 5 3 π


≈ 5,236