Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -3x soll im Intervall [1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 1 2 ( 2 e -3x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 1 2 4 e -6x ⅆ x

= π [ - 2 3 e -6x ] 1 2

= π · ( - 2 3 e -6⋅2 + 2 3 e -6⋅1 )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 e -6 )

= π · ( 2 3 e -6 - 2 3 e -12 )


≈ 0,005

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x und g(x)= 4 3x +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 ( 4 x ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 4 3x +4 ) 2 ⅆ x

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

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

= π ∫ 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +4 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 16 ( 3x +4 ) 2 + 16 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -16 ( 3x +4 ) -2 +16 x -2 ) ⅆ x

= π [ 16 3 ( 3x +4 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 3( 3x +4 ) - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 3( 3⋅4 +4 ) - 16 4 - ( 16 3( 3⋅1 +4 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 12 +4 ) -16⋅( 1 4 ) - ( 16 3( 3 +4 ) -16⋅1 ) )

= π · ( 16 3⋅ 16 -4 - ( 16 3⋅ 7 -16 ) )

= π · ( 16 3 ⋅( 1 16 ) -4 - ( 16 3 ⋅( 1 7 ) -16 ) )

= π · ( 1 3 -4 - ( 16 21 -16 ) )

= π · ( 1 3 - 12 3 - ( 16 21 - 336 21 ) )

= π · ( - 11 3 -1 · ( - 320 21 ) )

= π · ( - 11 3 + 320 21 )

= π · 81 7

= 81 7 π


≈ 36,353

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,3x 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 = e 0,3x -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 ( e 0,3x -1 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 1 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 1

= π · ( 5 3 e 0,6⋅1 - 20 3 e 0,3⋅1 +1 - ( 5 3 e 0,6⋅0 - 20 3 e 0,3⋅0 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +1 +5 )

= π · ( 5 3 e 0,6 - 20 3 e 0,3 +6 )


≈ 0,119