Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ 3 4 x 4 + 1 3 x 3 +3x ] 0 2

= π · ( 3 4 2 4 + 1 3 2 3 +32 - ( 3 4 0 4 + 1 3 0 3 +30 ) )

= π · ( 3 4 16 + 1 3 8 +6 - ( 3 4 0 + 1 3 0 +0) )

= π · ( 12 + 8 3 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 36 3 + 8 3 + 18 3 +0 )

= π · ( 62 3 )

= 62 3 π


≈ 64,926

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +4 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 2x +4 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +4 ) 2 ) x

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

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

= π [ 25 2( 2x +4 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 2( 23 +4 ) - 25 3 - ( 25 2( 21 +4 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 6 +4 ) -25( 1 3 ) - ( 25 2( 2 +4 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 10 - 25 3 - ( 25 2 6 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 10 ) - 25 3 - ( 25 2 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 5 4 - 25 3 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 15 12 - 100 12 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 85 12 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 85 12 + 275 12 )

= π · 95 6

= 95 6 π


≈ 49,742

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +3 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = x +3 -3
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 +3 -3 ) 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