Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +1 ) 3 - 1 6 ( 21 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ( 2 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 27 )

= π · ( 125 6 - 9 2 )

= π · ( 125 6 - 27 6 )

= π · 49 3

= 49 3 π


≈ 51,313

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 3 x und g(x)= 3 3x +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 ( 3 x ) 2 x - π 1 2 ( 3 3x +2 ) 2 x

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 9 ( 3x +2 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 2 ( -9 ( 3x +2 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 3 ( 3x +2 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 3 3x +2 - 9 x ] 1 2

= π · ( 3 32 +2 - 9 2 - ( 3 31 +2 - 9 1 ) )

= π · ( 3 6 +2 -9( 1 2 ) - ( 3 3 +2 -91 ) )

= π · ( 3 8 - 9 2 - ( 3 5 -9 ) )

= π · ( 3( 1 8 ) - 9 2 - ( 3( 1 5 ) -9 ) )

= π · ( 3 8 - 9 2 - ( 3 5 -9 ) )

= π · ( 3 8 - 36 8 - ( 3 5 - 45 5 ) )

= π · ( - 33 8 -1 · ( - 42 5 ) )

= π · ( - 33 8 + 42 5 )

= π · 171 40

= 171 40 π


≈ 13,43

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +7 3x +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 = 3x +7 3x +2 -1 = 3x +7 3x +2 - 3x +2 3x +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 2 ( 3x +7 3x +2 - 3x +2 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 3x +7 -3x -2 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 5 3x +2 ) 2 x

= π 0 2 5 2 · 1 ( 3x +2 ) 2 x

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

= π [ - 25 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 3( 3x +2 ) ] 0 2

= π · ( - 25 3( 32 +2 ) + 25 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 25 3( 6 +2 ) + 25 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 25 3 8 + 25 3 2 )

= π · ( - 25 3 ( 1 8 ) + 25 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 25 24 + 25 6 )

= π · ( - 25 24 + 100 24 )

= π · 25 8

= 25 8 π


≈ 9,817