Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 21 ( 2x +3 ) 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 ( 21 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 441 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 2 441 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 147 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 147 2 ( 22 +3 ) 3 + 147 2 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2 ( 4 +3 ) 3 + 147 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 147 2 7 3 + 147 2 3 3 )

= π · ( - 147 2 ( 1 343 ) + 147 2 ( 1 27 ) )

= π · ( - 3 14 + 49 18 )

= π · ( - 27 126 + 343 126 )

= π · 158 63

= 158 63 π


≈ 7,879

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 2 ( -16 ( x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 x +2 - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 2 +2 - 16 2 - ( 16 1 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 16 4 -16( 1 2 ) - ( 16 3 -161 ) )

= π · ( 16( 1 4 ) -8 - ( 16( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 4 -8 - ( 16 3 -16 ) )

= π · ( -4 - ( 16 3 - 48 3 ) )

= π · ( -4 -1 · ( - 32 3 ) )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · ( - 12 3 + 32 3 )

= π · ( -4 + 32 3 )

= π · 20 3

= 20 3 π


≈ 20,944

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 9 ( 31 +2 ) 3 - 1 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 3 +2 ) 3 - 1 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 5 3 - 1 9 2 3 )

= π · ( 1 9 125 - 1 9 8 )

= π · ( 125 9 - 8 9 )

= π · 13

= 13π


≈ 40,841