Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 63 ( 2x +3 ) 2 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( 63 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x
= π 0 2 3969 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 2 3969 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 1323 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1323 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 1323 2 ( 22 +3 ) 3 + 1323 2 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 1323 2 ( 4 +3 ) 3 + 1323 2 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 1323 2 7 3 + 1323 2 3 3 )

= π · ( - 1323 2 ( 1 343 ) + 1323 2 ( 1 27 ) )

= π · ( - 27 14 + 49 2 )

= π · ( - 27 14 + 343 14 )

= π · 158 7

= 158 7 π


≈ 70,91

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 9 x 4 - 9 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 9 ( x +2 ) 4 + 9 x 4 ) x
= π 1 2 ( -9 ( x +2 ) -4 +9 x -4 ) x

= π [ 3 ( x +2 ) -3 -3 x -3 ] 1 2

= π [ 3 ( x +2 ) 3 - 3 x 3 ] 1 2

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

= π · ( 3 4 3 -3( 1 8 ) - ( 3 3 3 -31 ) )

= π · ( 3( 1 64 ) - 3 8 - ( 3( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 3 64 - 3 8 - ( 1 9 -3 ) )

= π · ( 3 64 - 24 64 - ( 1 9 - 27 9 ) )

= π · ( - 21 64 -1 · ( - 26 9 ) )

= π · ( - 21 64 + 26 9 )

= π · ( - 189 576 + 1664 576 )

= π · ( - 21 64 + 26 9 )

= π · 1475 576

= 1475 576 π


≈ 8,045

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 3x +3 ) 2 +4 ( 3x +3 ) 2 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 3 ( 3x +3 ) 2 +4 ( 3x +3 ) 2 -3 = 3 ( 3x +3 ) 2 +4 ( 3x +3 ) 2 - 3 ( 3x +3 ) 2 ( 3x +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 ( 3 ( 3x +3 ) 2 +4 ( 3x +3 ) 2 - 3 ( 3x +3 ) 2 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 3 ( 4 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 4 2 · 1 ( 3x +3 ) 4 x

= π 0 3 16 ( 3x +3 ) 4 x
= π 0 3 16 ( 3x +3 ) -4 x

= π [ - 16 9 ( 3x +3 ) -3 ] 0 3

= π [ - 16 9 ( 3x +3 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 16 9 ( 33 +3 ) 3 + 16 9 ( 30 +3 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 9 +3 ) 3 + 16 9 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 16 9 12 3 + 16 9 3 3 )

= π · ( - 16 9 ( 1 1728 ) + 16 9 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 972 + 16 243 )

= π · ( - 1 972 + 64 972 )

= π · 7 108

= 7 108 π


≈ 0,204