Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ -2 ( 2x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +2 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +2 + 2 20 +2 )

= π · ( - 2 6 +2 + 2 0 +2 )

= π · ( - 2 8 + 2 2 )

= π · ( -2( 1 8 ) +2( 1 2 ) )

= π · ( - 1 4 +1 )

= π · ( - 1 4 + 4 4 )

= π · 3 4

= 3 4 π


≈ 2,356

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 2 - 16 ( x +1 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 16 ( x +1 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 4 ( -16 ( x +1 ) -2 +16 x -2 ) x

= π [ 16 ( x +1 ) -1 -16 x -1 ] 1 4

= π [ 16 x +1 - 16 x ] 1 4

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

= π · ( 16 5 -16( 1 4 ) - ( 16 2 -161 ) )

= π · ( 16( 1 5 ) -4 - ( 16( 1 2 ) -16 ) )

= π · ( 16 5 -4 - ( 8 -16 ) )

= π · ( 16 5 - 20 5 -1 · ( -8 ) )

= π · ( - 4 5 +8 )

= π · ( - 4 5 + 40 5 )

= π · 36 5

= 36 5 π


≈ 22,619

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 9 ( 32 +2 ) 3 - 1 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +2 ) 3 - 1 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 8 3 - 1 9 2 3 )

= π · ( 1 9 512 - 1 9 8 )

= π · ( 512 9 - 8 9 )

= π · 56

= 56π


≈ 175,929