Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] -1 1

= π · ( 1 6 ( 21 +2 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 4 3 - 1 6 0 3 )

= π · ( 1 6 64 - 1 6 0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · ( 32 3 +0 )

= π · 32 3

= 32 3 π


≈ 33,51

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 9 x 4 - 9 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( x +2 ) 4 + 9 x 4 ) x
= π 1 3 ( -9 ( x +2 ) -4 +9 x -4 ) x

= π [ 3 ( x +2 ) -3 -3 x -3 ] 1 3

= π [ 3 ( x +2 ) 3 - 3 x 3 ] 1 3

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

= π · ( 3 5 3 -3( 1 27 ) - ( 3 3 3 -31 ) )

= π · ( 3( 1 125 ) - 1 9 - ( 3( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 3 125 - 1 9 - ( 1 9 -3 ) )

= π · ( 27 1125 - 125 1125 - ( 1 9 - 27 9 ) )

= π · ( - 98 1125 -1 · ( - 26 9 ) )

= π · ( - 98 1125 + 26 9 )

= π · ( - 98 1125 + 3250 1125 )

= π · ( - 98 1125 + 26 9 )

= π · 3152 1125

= 3152 1125 π


≈ 8,802

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +5 x +1 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 = x +5 x +1 -1 = x +5 x +1 - x +1 x +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 1 ( x +5 x +1 - x +1 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( x +5 - x -1 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 x +1 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 1 16 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +1 ) -2 x

= π [ -16 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 x +1 ] 0 1

= π · ( - 16 1 +1 + 16 0 +1 )

= π · ( - 16 2 + 16 1 )

= π · ( -16( 1 2 ) +161 )

= π · ( -8 +16 )

= π · 8

= 8π


≈ 25,133