Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 32 ( 2x +2 ) 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 ( 32 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x
= π 0 3 1024 ( 2x +2 ) 4 x
= π 0 3 1024 ( 2x +2 ) -4 x

= π [ - 512 3 ( 2x +2 ) -3 ] 0 3

= π [ - 512 3 ( 2x +2 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 512 3 ( 23 +2 ) 3 + 512 3 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( - 512 3 ( 6 +2 ) 3 + 512 3 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( - 512 3 8 3 + 512 3 2 3 )

= π · ( - 512 3 ( 1 512 ) + 512 3 ( 1 8 ) )

= π · ( - 1 3 + 64 3 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( x +2 ) 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 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 9 x 2 ) 2 - ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 81 x 4 - 81 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 81 ( x +2 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 4 ( -81 ( x +2 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 ( x +2 ) -3 -27 x -3 ] 1 4

= π [ 27 ( x +2 ) 3 - 27 x 3 ] 1 4

= π · ( 27 ( 4 +2 ) 3 - 27 4 3 - ( 27 ( 1 +2 ) 3 - 27 1 3 ) )

= π · ( 27 6 3 -27( 1 64 ) - ( 27 3 3 -271 ) )

= π · ( 27( 1 216 ) - 27 64 - ( 27( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 1 8 - 27 64 - ( 1 -27 ) )

= π · ( 8 64 - 27 64 -1 · ( -26 ) )

= π · ( - 19 64 +26 )

= π · ( - 19 64 + 1664 64 )

= π · 1645 64

= 1645 64 π


≈ 80,749

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 6 ( 22 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +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