Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 36 ( x +3 ) 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 ( 36 ( x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 1 1296 ( x +3 ) 4 x
= π 0 1 1296 ( x +3 ) -4 x

= π [ -432 ( x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 432 ( x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 432 ( 1 +3 ) 3 + 432 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 432 4 3 + 432 3 3 )

= π · ( -432( 1 64 ) +432( 1 27 ) )

= π · ( - 27 4 +16 )

= π · ( - 27 4 + 64 4 )

= π · 37 4

= 37 4 π


≈ 29,06

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +2 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 3x +2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 25 ( 3x +2 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 3 ( -25 ( 3x +2 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 3 ( 3x +2 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 3( 3x +2 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 3( 33 +2 ) - 25 3 - ( 25 3( 31 +2 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 9 +2 ) -25( 1 3 ) - ( 25 3( 3 +2 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 11 - 25 3 - ( 25 3 5 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 11 ) - 25 3 - ( 25 3 ( 1 5 ) -25 ) )

= π · ( 25 33 - 25 3 - ( 5 3 -25 ) )

= π · ( 25 33 - 275 33 - ( 5 3 - 75 3 ) )

= π · ( - 250 33 -1 · ( - 70 3 ) )

= π · ( - 250 33 + 70 3 )

= π · 520 33

= 520 33 π


≈ 49,504

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 [0,1] 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 +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 1 ( 3x +1 -1 ) 2 x

= π 0 1 ( 3x ) 2 x
= π 0 1 9 x 2 x

= π [ 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 3 1 3 -3 0 3 )

= π · ( 31 -30 )

= π · ( 3 +0 )

= π · 3

= 3π


≈ 9,425