Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +1 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 5 x +1 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +1 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +1 ) -2 x

= π [ -25 ( x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +1 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +1 + 25 0 +1 )

= π · ( - 25 2 + 25 1 )

= π · ( -25( 1 2 ) +251 )

= π · ( - 25 2 +25 )

= π · ( - 25 2 + 50 2 )

= π · 25 2

= 25 2 π


≈ 39,27

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 2x +2 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 2x +2 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 2 ( 2x +2 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 9 2( 2x +2 ) - 9 x ] 1 3

= π · ( 9 2( 23 +2 ) - 9 3 - ( 9 2( 21 +2 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 6 +2 ) -9( 1 3 ) - ( 9 2( 2 +2 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 8 -3 - ( 9 2 4 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 8 ) -3 - ( 9 2 ( 1 4 ) -9 ) )

= π · ( 9 16 -3 - ( 9 8 -9 ) )

= π · ( 9 16 - 48 16 - ( 9 8 - 72 8 ) )

= π · ( - 39 16 -1 · ( - 63 8 ) )

= π · ( - 39 16 + 63 8 )

= π · 87 16

= 87 16 π


≈ 17,082

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 3x +2 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +2 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 9 ( 33 +2 ) 3 - 1 9 ( 30 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 9 +2 ) 3 - 1 9 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 9 11 3 - 1 9 2 3 )

= π · ( 1 9 1331 - 1 9 8 )

= π · ( 1331 9 - 8 9 )

= π · 147

= 147π


≈ 461,814