Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 15 ( 2x +3 ) 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 ( 15 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 225 ( 2x +3 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 1 225 ( 2x +3 ) -4 ⅆ x

= π [ - 75 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 75 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 75 2 ( 2⋅1 +3 ) 3 + 75 2 ( 2⋅0 +3 ) 3 )

= π · ( - 75 2 ( 2 +3 ) 3 + 75 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 75 2⋅ 5 3 + 75 2⋅ 3 3 )

= π · ( - 75 2 ⋅( 1 125 ) + 75 2 ⋅( 1 27 ) )

= π · ( - 3 10 + 25 18 )

= π · ( - 27 90 + 125 90 )

= π · 49 45

= 49 45 π


≈ 3,421

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

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

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

= π [ 2 ( 2x +4 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 2 2x +4 - 4 x ] 1 2

= π · ( 2 2⋅2 +4 - 4 2 - ( 2 2⋅1 +4 - 4 1 ) )

= π · ( 2 4 +4 -4⋅( 1 2 ) - ( 2 2 +4 -4⋅1 ) )

= π · ( 2 8 -2 - ( 2 6 -4 ) )

= π · ( 2⋅( 1 8 ) -2 - ( 2⋅( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 1 4 -2 - ( 1 3 -4 ) )

= π · ( 1 4 - 8 4 - ( 1 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 7 4 -1 · ( - 11 3 ) )

= π · ( - 7 4 + 11 3 )

= π · 23 12

= 23 12 π


≈ 6,021

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 1 ( x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 x 2 ⅆ 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