Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 x 3 +2 x 2 +5x soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 3 x 3 +2 x 2 +5x ) 2 x
= π 0 1 ( 3 x 3 +2 x 2 +5x ) x

= π [ 3 4 x 4 + 2 3 x 3 + 5 2 x 2 ] 0 1

= π · ( 3 4 1 4 + 2 3 1 3 + 5 2 1 2 - ( 3 4 0 4 + 2 3 0 3 + 5 2 0 2 ) )

= π · ( 3 4 1 + 2 3 1 + 5 2 1 - ( 3 4 0 + 2 3 0 + 5 2 0 ) )

= π · ( 3 4 + 2 3 + 5 2 - (0+0+0) )

= π · ( 9 12 + 8 12 + 30 12 +0 )

= π · ( 47 12 )

= 47 12 π


≈ 12,305

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( x +1 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,2] 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 2 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 6 ( x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 36 ( x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 2 ( -36 ( x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 12 ( x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 12 ( x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

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

= π · ( 12 3 3 -12( 1 8 ) - ( 12 2 3 -121 ) )

= π · ( 12( 1 27 ) - 3 2 - ( 12( 1 8 ) -12 ) )

= π · ( 4 9 - 3 2 - ( 3 2 -12 ) )

= π · ( 8 18 - 27 18 - ( 3 2 - 24 2 ) )

= π · ( - 19 18 -1 · ( - 21 2 ) )

= π · ( - 19 18 + 21 2 )

= π · ( - 19 18 + 189 18 )

= π · ( - 19 18 + 21 2 )

= π · 85 9

= 85 9 π


≈ 29,671

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 3x ) 2 x
= π 0 3 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 3 3 3 -3 0 3 )

= π · ( 327 -30 )

= π · ( 81 +0 )

= π · 81

= 81π


≈ 254,469