Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( 2 e -2x ) 2 x
= π 0 1 2 e -2x x

= π [ - e -2x ] 0 1

= π · ( - e -21 + e -20 )

= π · ( - e -2 + e 0 )

= π · ( - e -2 +1 )


≈ 2,716

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +1 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 36 ( 2x +1 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 2 ( -36 ( 2x +1 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +1 ) -3 -12 x -3 ] 1 2

= π [ 6 ( 2x +1 ) 3 - 12 x 3 ] 1 2

= π · ( 6 ( 22 +1 ) 3 - 12 2 3 - ( 6 ( 21 +1 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 4 +1 ) 3 -12( 1 8 ) - ( 6 ( 2 +1 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 5 3 - 3 2 - ( 6 3 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 125 ) - 3 2 - ( 6( 1 27 ) -12 ) )

= π · ( 6 125 - 3 2 - ( 2 9 -12 ) )

= π · ( 12 250 - 375 250 - ( 2 9 - 108 9 ) )

= π · ( - 363 250 -1 · ( - 106 9 ) )

= π · ( - 363 250 + 106 9 )

= π · 23233 2250

= 23233 2250 π


≈ 32,439

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +6 x +2 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 = 2x +6 x +2 -2 = 2x +6 x +2 - 2( x +2 ) x +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 ( 2x +6 x +2 - 2( x +2 ) x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 2x +6 -2x -4 x +2 ) 2 x

= π 0 2 ( 2 x +2 ) 2 x

= π 0 2 2 2 · 1 ( x +2 ) 2 x

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

= π [ -4 ( x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 4 x +2 ] 0 2

= π · ( - 4 2 +2 + 4 0 +2 )

= π · ( - 4 4 + 4 2 )

= π · ( -4( 1 4 ) +4( 1 2 ) )

= π · ( -1 +2 )

= π · 1

= π


≈ 3,142