Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 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 +4 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ( 22 +4 ) 3 - 1 6 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 4 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 64 )

= π · ( 256 3 - 32 3 )

= π · 224 3

= 224 3 π


≈ 234,572

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( - 16 ( 3x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 2 ( -16 ( 3x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 3 ( 3x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 2

= π [ 16 3( 3x +2 ) - 16 x ] 1 2

= π · ( 16 3( 32 +2 ) - 16 2 - ( 16 3( 31 +2 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 6 +2 ) -16( 1 2 ) - ( 16 3( 3 +2 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 8 -8 - ( 16 3 5 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 8 ) -8 - ( 16 3 ( 1 5 ) -16 ) )

= π · ( 2 3 -8 - ( 16 15 -16 ) )

= π · ( 2 3 - 24 3 - ( 16 15 - 240 15 ) )

= π · ( - 22 3 -1 · ( - 224 15 ) )

= π · ( - 22 3 + 224 15 )

= π · 38 5

= 38 5 π


≈ 23,876

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,1x und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 0,1x -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 2 ( e 0,1x -1 ) 2 x

= π 0 2 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 2

= π · ( 5 e 0,22 -20 e 0,12 +2 - ( 5 e 0,20 -20 e 0,10 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +2 +15 )

= π · ( 5 e 0,4 -20 e 0,2 +17 )


≈ 0,098