Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 4 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 64 - 1 6 8 )

= π · ( 32 3 - 4 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 2 x und g(x)= 2 2x +4 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,3] 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 3 ( 2 x ) 2 x - π 1 3 ( 2 2x +4 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 2 x ) 2 - ( 2 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 4 ( 2x +4 ) 2 + 4 x 2 ) x
= π 1 3 ( -4 ( 2x +4 ) -2 +4 x -2 ) x

= π [ 2 ( 2x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +4 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +4 - 4 3 - ( 2 21 +4 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +4 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +4 -41 ) )

= π · ( 2 10 - 4 3 - ( 2 6 -4 ) )

= π · ( 2( 1 10 ) - 4 3 - ( 2( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 1 5 - 4 3 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 3 15 - 20 15 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 17 15 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 17 15 + 11 3 )

= π · 38 15

= 38 15 π


≈ 7,959

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 3 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 27 - 1 6 1 )

= π · ( 9 2 - 1 6 )

= π · ( 27 6 - 1 6 )

= π · 13 3

= 13 3 π


≈ 13,614