Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 120 ( 3x +4 ) 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 ( 120 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 2 14400 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 2 14400 ( 3x +4 ) -4 ⅆ x

= π [ -1600 ( 3x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1600 ( 3x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 1600 ( 3⋅2 +4 ) 3 + 1600 ( 3⋅0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1600 ( 6 +4 ) 3 + 1600 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1600 10 3 + 1600 4 3 )

= π · ( -1600⋅( 1 1000 ) +1600⋅( 1 64 ) )

= π · ( - 8 5 +25 )

= π · ( - 8 5 + 125 5 )

= π · 117 5

= 117 5 π


≈ 73,513

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π [ 16 ( x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +4 - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 4 +4 - 16 4 - ( 16 1 +4 - 16 1 ) )

= π · ( 16 8 -16⋅( 1 4 ) - ( 16 5 -16⋅1 ) )

= π · ( 16⋅( 1 8 ) -4 - ( 16⋅( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 2 -4 - ( 16 5 -16 ) )

= π · ( -2 - ( 16 5 - 80 5 ) )

= π · ( -2 -1 · ( - 64 5 ) )

= π · ( -2 + 64 5 )

= π · ( - 10 5 + 64 5 )

= π · ( -2 + 64 5 )

= π · 54 5

= 54 5 π


≈ 33,929

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,4x 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 = e 0,4x -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 ( e 0,4x -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( e 0,8x -2 e 0,4x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 4 e 0,8x -5 e 0,4x + x ] 0 2

= π · ( 5 4 e 0,8⋅2 -5 e 0,4⋅2 +2 - ( 5 4 e 0,8⋅0 -5 e 0,4⋅0 +0) )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 +2 - ( 5 4 e 0 -5 e 0 +0) )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 +2 - ( 5 4 -5 +0) )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 +2 - ( 5 4 - 20 4 +0) )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 +2 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 +2 + 15 4 )

= π · ( 5 4 e 1,6 -5 e 0,8 + 23 4 )


≈ 2,556