Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 1 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] -1 1

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

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 1 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 1 )

= π · ( 9 - 1 3 )

= π · ( 27 3 - 1 3 )

= π · 26 3

= 26 3 π


≈ 27,227

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 16 x 2 - 16 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 16 ( 3x +3 ) 2 + 16 x 2 ) x
= π 1 3 ( -16 ( 3x +3 ) -2 +16 x -2 ) x

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

= π [ 16 3( 3x +3 ) - 16 x ] 1 3

= π · ( 16 3( 33 +3 ) - 16 3 - ( 16 3( 31 +3 ) - 16 1 ) )

= π · ( 16 3( 9 +3 ) -16( 1 3 ) - ( 16 3( 3 +3 ) -161 ) )

= π · ( 16 3 12 - 16 3 - ( 16 3 6 -16 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 12 ) - 16 3 - ( 16 3 ( 1 6 ) -16 ) )

= π · ( 4 9 - 16 3 - ( 8 9 -16 ) )

= π · ( 4 9 - 48 9 - ( 8 9 - 144 9 ) )

= π · ( - 44 9 -1 · ( - 136 9 ) )

= π · ( - 44 9 + 136 9 )

= π · 92 9

= 92 9 π


≈ 32,114

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( x +3 ) 2 +5 ( x +3 ) 2 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 = ( x +3 ) 2 +5 ( x +3 ) 2 -1 = ( x +3 ) 2 +5 ( x +3 ) 2 - ( x +3 ) 2 ( x +3 ) 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 ( ( x +3 ) 2 +5 ( x +3 ) 2 - ( x +3 ) 2 ( x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( ( x +3 ) 2 +5 - ( x +3 ) 2 ( x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 ( x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( x +3 ) 4 x

= π 0 3 25 ( x +3 ) 4 x
= π 0 3 25 ( x +3 ) -4 x

= π [ - 25 3 ( x +3 ) -3 ] 0 3

= π [ - 25 3 ( x +3 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 25 3 ( 3 +3 ) 3 + 25 3 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 25 3 6 3 + 25 3 3 3 )

= π · ( - 25 3 ( 1 216 ) + 25 3 ( 1 27 ) )

= π · ( - 25 648 + 25 81 )

= π · ( - 25 648 + 200 648 )

= π · 175 648

= 175 648 π


≈ 0,848