Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π ∫ 0 2 ( 2x +1 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( 1 6 ⋅ ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ⋅ ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ⋅ 5 3 - 1 6 ⋅ 1 3 )

= π · ( 1 6 ⋅125 - 1 6 ⋅1 )

= π · ( 125 6 - 1 6 )

= π · 62 3

= 62 3 π


≈ 64,926

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +3 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 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 5 3x +3 ) 2 ⅆ 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 3x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 25 ( 3x +3 ) 2 + 25 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -25 ( 3x +3 ) -2 +25 x -2 ) ⅆ x

= π [ 25 3 ( 3x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 3( 3x +3 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 3( 3⋅4 +3 ) - 25 4 - ( 25 3( 3⋅1 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 12 +3 ) -25⋅( 1 4 ) - ( 25 3( 3 +3 ) -25⋅1 ) )

= π · ( 25 3⋅ 15 - 25 4 - ( 25 3⋅ 6 -25 ) )

= π · ( 25 3 ⋅( 1 15 ) - 25 4 - ( 25 3 ⋅( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 5 9 - 25 4 - ( 25 18 -25 ) )

= π · ( 20 36 - 225 36 - ( 25 18 - 450 18 ) )

= π · ( - 205 36 -1 · ( - 425 18 ) )

= π · ( - 205 36 + 425 18 )

= π · 215 12

= 215 12 π


≈ 56,287

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 2 ( 9 e 0,6x -12 e 0,3x +4 ) ⅆ x

= π [ 15 e 0,6x -40 e 0,3x +4x ] 0 2

= π · ( 15 e 0,6⋅2 -40 e 0,3⋅2 +4⋅2 - ( 15 e 0,6⋅0 -40 e 0,3⋅0 +4⋅0 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 - ( 15 e 0 -40 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 - ( 15 -40 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 -1 · ( -25 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +8 +25 )

= π · ( 15 e 1,2 -40 e 0,6 +33 )


≈ 31,155