Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +1 soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ -1 0 ( 2x +1 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] -1 0

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

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

= π · ( 1 6 ⋅ 1 3 - 1 6 ⋅ ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ⋅1 - 1 6 ⋅( -1 ) )

= π · ( 1 6 + 1 6 )

= π · 1 3

= 1 3 π


≈ 1,047

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

= π ∫ 1 3 ( ( 2 x ) 2 - ( 2 2x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +3 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 4 ( 2x +3 ) 2 + 4 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -4 ( 2x +3 ) -2 +4 x -2 ) ⅆ x

= π [ 2 ( 2x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +3 - 4 x ] 1 3

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

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

= π · ( 2 9 - 4 3 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2⋅( 1 9 ) - 4 3 - ( 2⋅( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 2 9 - 4 3 - ( 2 5 -4 ) )

= π · ( 2 9 - 12 9 - ( 2 5 - 20 5 ) )

= π · ( - 10 9 -1 · ( - 18 5 ) )

= π · ( - 10 9 + 18 5 )

= π · 112 45

= 112 45 π


≈ 7,819

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 3 ( e 0,6x -2 e 0,3x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 3 e 0,6x - 20 3 e 0,3x + x ] 0 3

= π · ( 5 3 e 0,6⋅3 - 20 3 e 0,3⋅3 +3 - ( 5 3 e 0,6⋅0 - 20 3 e 0,3⋅0 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 e 0 - 20 3 e 0 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 - ( 5 3 - 20 3 +0) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 -1 · ( -5 ) )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +3 +5 )

= π · ( 5 3 e 1,8 - 20 3 e 0,9 +8 )


≈ 5,295