Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( 3 x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +2 ) -2 x

= π [ -9 ( x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +2 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +2 + 9 0 +2 )

= π · ( - 9 3 + 9 2 )

= π · ( -9( 1 3 ) +9( 1 2 ) )

= π · ( -3 + 9 2 )

= π · ( - 6 2 + 9 2 )

= π · 3 2

= 3 2 π


≈ 4,712

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 9 2 ( 2x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 9 2( 2x +1 ) - 9 x ] 1 2

= π · ( 9 2( 22 +1 ) - 9 2 - ( 9 2( 21 +1 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 4 +1 ) -9( 1 2 ) - ( 9 2( 2 +1 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 5 - 9 2 - ( 9 2 3 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 5 ) - 9 2 - ( 9 2 ( 1 3 ) -9 ) )

= π · ( 9 10 - 9 2 - ( 3 2 -9 ) )

= π · ( 9 10 - 45 10 - ( 3 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 18 5 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( - 18 5 + 15 2 )

= π · 39 10

= 39 10 π


≈ 12,252

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 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 3 ( x +3 -2 ) 2 x

= π 0 3 ( x +1 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +1 ) 3 ] 0 3

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 1 )

= π · ( 64 3 - 1 3 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973