Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 7 ( 2x +1 ) 2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 7 ( 2x +1 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 49 ( 2x +1 ) 4 x
= π 0 3 49 ( 2x +1 ) -4 x

= π [ - 49 6 ( 2x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 49 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 49 6 ( 23 +1 ) 3 + 49 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( - 49 6 ( 6 +1 ) 3 + 49 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 49 6 7 3 + 49 6 1 3 )

= π · ( - 49 6 ( 1 343 ) + 49 6 1 )

= π · ( - 1 42 + 49 6 )

= π · ( - 1 42 + 343 42 )

= π · 57 7

= 57 7 π


≈ 25,582

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 2x +2 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,3] 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 3 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 12 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 2x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 144 x 4 - 144 ( 2x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 144 ( 2x +2 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 3 ( -144 ( 2x +2 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 24 ( 2x +2 ) -3 -48 x -3 ] 1 3

= π [ 24 ( 2x +2 ) 3 - 48 x 3 ] 1 3

= π · ( 24 ( 23 +2 ) 3 - 48 3 3 - ( 24 ( 21 +2 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 24 ( 6 +2 ) 3 -48( 1 27 ) - ( 24 ( 2 +2 ) 3 -481 ) )

= π · ( 24 8 3 - 16 9 - ( 24 4 3 -48 ) )

= π · ( 24( 1 512 ) - 16 9 - ( 24( 1 64 ) -48 ) )

= π · ( 3 64 - 16 9 - ( 3 8 -48 ) )

= π · ( 27 576 - 1024 576 - ( 3 8 - 384 8 ) )

= π · ( - 997 576 -1 · ( - 381 8 ) )

= π · ( - 997 576 + 381 8 )

= π · 26435 576

= 26435 576 π


≈ 144,181

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 2

= π · ( 5 2 e 0,42 -10 e 0,22 +2 - ( 5 2 e 0,40 -10 e 0,20 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 + 19 2 )


≈ 0,457