Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ - e -x ] 0 2

= π · ( - e -2 + e -0 )

= π · ( - e -2 +1 )


≈ 2,716

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 ( x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 x +2 - 4 x ] 1 2

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

= π · ( 4 4 -4( 1 2 ) - ( 4 3 -41 ) )

= π · ( 4( 1 4 ) -2 - ( 4( 1 3 ) -4 ) )

= π · ( 1 -2 - ( 4 3 -4 ) )

= π · ( -1 - ( 4 3 - 12 3 ) )

= π · ( -1 -1 · ( - 8 3 ) )

= π · ( -1 + 8 3 )

= π · ( - 3 3 + 8 3 )

= π · ( -1 + 8 3 )

= π · 5 3

= 5 3 π


≈ 5,236

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +6 x +3 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 +6 x +3 -1 = x +6 x +3 - x +3 x +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 +6 x +3 - x +3 x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( x +6 - x -3 x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 3 x +3 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( x +3 ) 2 x

= π 0 1 9 ( x +3 ) 2 x
= π 0 1 9 ( x +3 ) -2 x

= π [ -9 ( x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 x +3 ] 0 1

= π · ( - 9 1 +3 + 9 0 +3 )

= π · ( - 9 4 + 9 3 )

= π · ( -9( 1 4 ) +9( 1 3 ) )

= π · ( - 9 4 +3 )

= π · ( - 9 4 + 12 4 )

= π · 3 4

= 3 4 π


≈ 2,356