Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 3 ( 2 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 4 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 4 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 2 2x +3 ] 0 3

= π · ( - 2 23 +3 + 2 20 +3 )

= π · ( - 2 6 +3 + 2 0 +3 )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( -2( 1 9 ) +2( 1 3 ) )

= π · ( - 2 9 + 2 3 )

= π · ( - 2 9 + 6 9 )

= π · 4 9

= 4 9 π


≈ 1,396

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 18 x 2 und g(x)= 18 ( 2x +4 ) 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 ( 18 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 18 x 2 ) 2 - ( 18 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 324 x 4 - 324 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 324 ( 2x +4 ) 4 + 324 x 4 ) x
= π 1 4 ( -324 ( 2x +4 ) -4 +324 x -4 ) x

= π [ 54 ( 2x +4 ) -3 -108 x -3 ] 1 4

= π [ 54 ( 2x +4 ) 3 - 108 x 3 ] 1 4

= π · ( 54 ( 24 +4 ) 3 - 108 4 3 - ( 54 ( 21 +4 ) 3 - 108 1 3 ) )

= π · ( 54 ( 8 +4 ) 3 -108( 1 64 ) - ( 54 ( 2 +4 ) 3 -1081 ) )

= π · ( 54 12 3 - 27 16 - ( 54 6 3 -108 ) )

= π · ( 54( 1 1728 ) - 27 16 - ( 54( 1 216 ) -108 ) )

= π · ( 1 32 - 27 16 - ( 1 4 -108 ) )

= π · ( 1 32 - 54 32 - ( 1 4 - 432 4 ) )

= π · ( - 53 32 -1 · ( - 431 4 ) )

= π · ( - 53 32 + 431 4 )

= π · 3395 32

= 3395 32 π


≈ 333,303

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +4 und der Geraden y = 4 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 4 (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 = 4 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-4 = x +4 -4
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 2 ( x +4 -4 ) 2 x

= π 0 2 ( x ) 2 x
= π 0 2 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 8 - 1 3 0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · ( 8 3 +0 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378