Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x 2 +4x +5 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 4 x 2 +4x +5 ) 2 x
= π 0 2 ( 4 x 2 +4x +5 ) x

= π [ 4 3 x 3 +2 x 2 +5x ] 0 2

= π · ( 4 3 2 3 +2 2 2 +52 - ( 4 3 0 3 +2 0 2 +50 ) )

= π · ( 4 3 8 +24 +10 - ( 4 3 0 +20 +0) )

= π · ( 32 3 +8 +10 - (0+0+0) )

= π · ( 32 3 + 24 3 + 30 3 +0 )

= π · ( 86 3 )

= 86 3 π


≈ 90,059

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +4 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] 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 4 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 2x +4 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +4 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +4 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +4 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 2( 2x +4 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 2( 24 +4 ) - 25 4 - ( 25 2( 21 +4 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 8 +4 ) -25( 1 4 ) - ( 25 2( 2 +4 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 12 - 25 4 - ( 25 2 6 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 12 ) - 25 4 - ( 25 2 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 24 - 25 4 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 25 24 - 150 24 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 125 24 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 125 24 + 275 12 )

= π · 425 24

= 425 24 π


≈ 55,632

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +8 x +4 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 = x +8 x +4 -1 = x +8 x +4 - x +4 x +4
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 ( x +8 x +4 - x +4 x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( x +8 - x -4 x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 4 x +4 ) 2 x

= π 0 3 4 2 · 1 ( x +4 ) 2 x

= π 0 3 16 ( x +4 ) 2 x
= π 0 3 16 ( x +4 ) -2 x

= π [ -16 ( x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 16 x +4 ] 0 3

= π · ( - 16 3 +4 + 16 0 +4 )

= π · ( - 16 7 + 16 4 )

= π · ( -16( 1 7 ) +16( 1 4 ) )

= π · ( - 16 7 +4 )

= π · ( - 16 7 + 28 7 )

= π · 12 7

= 12 7 π


≈ 5,386