Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +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 ( 5 x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +3 ) -2 x

= π [ -25 ( x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +3 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +3 + 25 0 +3 )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( -25( 1 4 ) +25( 1 3 ) )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( - 75 12 + 100 12 )

= π · 25 12

= 25 12 π


≈ 6,545

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 16 x 4 - 16 ( x +1 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( x +1 ) 4 + 16 x 4 ) x
= π 1 4 ( -16 ( x +1 ) -4 +16 x -4 ) x

= π [ 16 3 ( x +1 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 4

= π [ 16 3 ( x +1 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 16 3 ( 4 +1 ) 3 - 16 3 4 3 - ( 16 3 ( 1 +1 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 5 3 - 16 3 ( 1 64 ) - ( 16 3 2 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 125 ) - 1 12 - ( 16 3 ( 1 8 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 375 - 1 12 - ( 2 3 - 16 3 ) )

= π · ( 64 1500 - 125 1500 -1 · ( - 14 3 ) )

= π · ( - 61 1500 + 14 3 )

= π · ( - 61 1500 + 7000 1500 )

= π · 2313 500

= 2313 500 π


≈ 14,533

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 9 e 0,6x -12 e 0,3x +4 ) x

= π [ 15 e 0,6x -40 e 0,3x +4x ] 0 1

= π · ( 15 e 0,61 -40 e 0,31 +41 - ( 15 e 0,60 -40 e 0,30 +40 ) )

= π · ( 15 e 0,6 -40 e 0,3 +4 - ( 15 e 0 -40 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 0,6 -40 e 0,3 +4 - ( 15 -40 +0) )

= π · ( 15 e 0,6 -40 e 0,3 +4 -1 · ( -25 ) )

= π · ( 15 e 0,6 -40 e 0,3 +4 +25 )

= π · ( 15 e 0,6 -40 e 0,3 +29 )


≈ 7,343