Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ -2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 2 2x +3 ] 0 1

= π · ( - 2 21 +3 + 2 20 +3 )

= π · ( - 2 2 +3 + 2 0 +3 )

= π · ( - 2 5 + 2 3 )

= π · ( -2( 1 5 ) +2( 1 3 ) )

= π · ( - 2 5 + 2 3 )

= π · ( - 6 15 + 10 15 )

= π · 4 15

= 4 15 π


≈ 0,838

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +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 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 2x +2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +2 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +2 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +2 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 2( 2x +2 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 2( 24 +2 ) - 25 4 - ( 25 2( 21 +2 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 8 +2 ) -25( 1 4 ) - ( 25 2( 2 +2 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 10 - 25 4 - ( 25 2 4 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 10 ) - 25 4 - ( 25 2 ( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 5 4 - 25 4 - ( 25 8 -25 ) )

= π · ( -5 - ( 25 8 - 200 8 ) )

= π · ( -5 -1 · ( - 175 8 ) )

= π · ( -5 + 175 8 )

= π · 135 8

= 135 8 π


≈ 53,014

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 3x +3 ) 2 +2 ( 3x +3 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = ( 3x +3 ) 2 +2 ( 3x +3 ) 2 -1 = ( 3x +3 ) 2 +2 ( 3x +3 ) 2 - ( 3x +3 ) 2 ( 3x +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 1 ( ( 3x +3 ) 2 +2 ( 3x +3 ) 2 - ( 3x +3 ) 2 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 2 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( 3x +3 ) 4 x

= π 0 1 4 ( 3x +3 ) 4 x
= π 0 1 4 ( 3x +3 ) -4 x

= π [ - 4 9 ( 3x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 4 9 ( 3x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 4 9 ( 31 +3 ) 3 + 4 9 ( 30 +3 ) 3 )

= π · ( - 4 9 ( 3 +3 ) 3 + 4 9 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 4 9 6 3 + 4 9 3 3 )

= π · ( - 4 9 ( 1 216 ) + 4 9 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 486 + 4 243 )

= π · ( - 1 486 + 8 486 )

= π · 7 486

= 7 486 π


≈ 0,045