Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ 1 2 x 4 + x 3 + 1 2 x 2 ] 0 2

= π · ( 1 2 2 4 + 2 3 + 1 2 2 2 - ( 1 2 0 4 + 0 3 + 1 2 0 2 ) )

= π · ( 1 2 16 + 8 + 1 2 4 - ( 1 2 0 + 0 + 1 2 0 ) )

= π · ( 8 +8 +2 - (0+0+0) )

= π · ( 18 +0 )

= π · ( 18 )

= 18π


≈ 56,549

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 2 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 9 2 ( 2x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 2

= π [ 9 2( 2x +1 ) - 9 x ] 1 2

= π · ( 9 2( 22 +1 ) - 9 2 - ( 9 2( 21 +1 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 4 +1 ) -9( 1 2 ) - ( 9 2( 2 +1 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 5 - 9 2 - ( 9 2 3 -9 ) )

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

= π · ( 9 10 - 9 2 - ( 3 2 -9 ) )

= π · ( 9 10 - 45 10 - ( 3 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 18 5 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( - 18 5 + 15 2 )

= π · 39 10

= 39 10 π


≈ 12,252

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( x +5 - x -1 x +1 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 x +1 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( x +1 ) 2 x

= π 0 1 16 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 16 ( x +1 ) -2 x

= π [ -16 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 x +1 ] 0 1

= π · ( - 16 1 +1 + 16 0 +1 )

= π · ( - 16 2 + 16 1 )

= π · ( -16( 1 2 ) +161 )

= π · ( -8 +16 )

= π · 8

= 8π


≈ 25,133