Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +1 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ( -2 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 ( -1 ) )

= π · ( 125 6 + 1 6 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 x +3 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 x +3 ) 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 x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( x +3 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( x +3 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( x +3 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 ( x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 x +3 - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 4 +3 - 25 4 - ( 25 1 +3 - 25 1 ) )

= π · ( 25 7 -25( 1 4 ) - ( 25 4 -251 ) )

= π · ( 25( 1 7 ) - 25 4 - ( 25( 1 4 ) -25 ) )

= π · ( 25 7 - 25 4 - ( 25 4 -25 ) )

= π · ( 100 28 - 175 28 - ( 25 4 - 100 4 ) )

= π · ( - 75 28 -1 · ( - 75 4 ) )

= π · ( - 75 28 + 75 4 )

= π · ( - 75 28 + 525 28 )

= π · ( - 75 28 + 75 4 )

= π · 225 14

= 225 14 π


≈ 50,49

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +4 und der Geraden y = 4 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 4 (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 = 4 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-4 = x +4 -4
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 ( x +4 -4 ) 2 x

= π 0 1 ( x ) 2 x
= π 0 1 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 1

= π · ( 1 3 1 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 1 - 1 3 0 )

= π · ( 1 3 +0 )

= π · ( 1 3 +0 )

= π · 1 3

= 1 3 π


≈ 1,047