Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 e -x 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 e -x ) 2 x
= π 0 2 9 e -2x x

= π [ - 9 2 e -2x ] 0 2

= π · ( - 9 2 e -22 + 9 2 e -20 )

= π · ( - 9 2 e -4 + 9 2 e 0 )

= π · ( - 9 2 e -4 + 9 2 )


≈ 13,878

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 4 ( 16 x 4 - 16 ( x +3 ) 4 ) x

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

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

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

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

= π · ( 16 3 7 3 - 16 3 ( 1 64 ) - ( 16 3 4 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 343 ) - 1 12 - ( 16 3 ( 1 64 ) - 16 3 ) )

= π · ( 16 1029 - 1 12 - ( 1 12 - 16 3 ) )

= π · ( 64 4116 - 343 4116 - ( 1 12 - 64 12 ) )

= π · ( - 93 1372 -1 · ( - 21 4 ) )

= π · ( - 93 1372 + 21 4 )

= π · ( - 93 1372 + 7203 1372 )

= π · ( - 93 1372 + 21 4 )

= π · 3555 686

= 3555 686 π


≈ 16,28

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +4 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 2x +4 -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 3 ( 2x +4 -2 ) 2 x

= π 0 3 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

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

= π · ( 1 6 8 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 512 - 1 6 8 )

= π · ( 256 3 - 4 3 )

= π · 84

= 84π


≈ 263,894