Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 3 ( 2x +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +4 ) 3 - 1 6 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 10 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 1000 - 1 6 64 )

= π · ( 500 3 - 32 3 )

= π · 156

= 156π


≈ 490,088

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( x +4 ) 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 ( 15 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 15 ( x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 225 x 4 - 225 ( x +4 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 225 ( x +4 ) 4 + 225 x 4 ) x
= π 1 4 ( -225 ( x +4 ) -4 +225 x -4 ) x

= π [ 75 ( x +4 ) -3 -75 x -3 ] 1 4

= π [ 75 ( x +4 ) 3 - 75 x 3 ] 1 4

= π · ( 75 ( 4 +4 ) 3 - 75 4 3 - ( 75 ( 1 +4 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 75 8 3 -75( 1 64 ) - ( 75 5 3 -751 ) )

= π · ( 75( 1 512 ) - 75 64 - ( 75( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 75 512 - 75 64 - ( 3 5 -75 ) )

= π · ( 75 512 - 600 512 - ( 3 5 - 375 5 ) )

= π · ( - 525 512 -1 · ( - 372 5 ) )

= π · ( - 525 512 + 372 5 )

= π · ( - 2625 2560 + 190464 2560 )

= π · ( - 525 512 + 372 5 )

= π · 187839 2560

= 187839 2560 π


≈ 230,513

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 2x +8 -2x -4 x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 4 x +2 ) 2 x

= π 0 3 4 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

= π 0 3 16 ( x +2 ) 2 x
= π 0 3 16 ( x +2 ) -2 x

= π [ -16 ( x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 16 x +2 ] 0 3

= π · ( - 16 3 +2 + 16 0 +2 )

= π · ( - 16 5 + 16 2 )

= π · ( -16( 1 5 ) +16( 1 2 ) )

= π · ( - 16 5 +8 )

= π · ( - 16 5 + 40 5 )

= π · 24 5

= 24 5 π


≈ 15,08