Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

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

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 1 )

= π · ( 8 3 - 1 3 )

= π · 7 3

= 7 3 π


≈ 7,33

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( x +2 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( x +2 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +2 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +2 - 16 x ] 1 4

= π · ( 16 4 +2 - 16 4 - ( 16 1 +2 - 16 1 ) )

= π · ( 16 6 -16( 1 4 ) - ( 16 3 -161 ) )

= π · ( 16( 1 6 ) -4 - ( 16( 1 3 ) -16 ) )

= π · ( 8 3 -4 - ( 16 3 -16 ) )

= π · ( 8 3 - 12 3 - ( 16 3 - 48 3 ) )

= π · ( - 4 3 -1 · ( - 32 3 ) )

= π · ( - 4 3 + 32 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( x +3 ) 2 +3 ( x +3 ) 2 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 = ( x +3 ) 2 +3 ( x +3 ) 2 -1 = ( x +3 ) 2 +3 ( x +3 ) 2 - ( x +3 ) 2 ( x +3 ) 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 ( ( x +3 ) 2 +3 ( x +3 ) 2 - ( x +3 ) 2 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 2 ( 3 ( x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 2 3 2 · 1 ( x +3 ) 4 x

= π 0 2 9 ( x +3 ) 4 x
= π 0 2 9 ( x +3 ) -4 x

= π [ -3 ( x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 3 ( x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 3 ( 2 +3 ) 3 + 3 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 3 5 3 + 3 3 3 )

= π · ( -3( 1 125 ) +3( 1 27 ) )

= π · ( - 3 125 + 1 9 )

= π · ( - 27 1125 + 125 1125 )

= π · 98 1125

= 98 1125 π


≈ 0,274