Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x 3 +5 x 2 +2 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ 1 4 x 4 + 5 3 x 3 +2x ] 0 3

= π · ( 1 4 3 4 + 5 3 3 3 +23 - ( 1 4 0 4 + 5 3 0 3 +20 ) )

= π · ( 1 4 81 + 5 3 27 +6 - ( 1 4 0 + 5 3 0 +0) )

= π · ( 81 4 +45 +6 - (0+0+0) )

= π · ( 81 4 + 180 4 + 24 4 +0 )

= π · ( 285 4 )

= 285 4 π


≈ 223,838

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 2x +4 ) 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 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 12 ( 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 3 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 144 x 4 - 144 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 144 ( 2x +4 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 3 ( -144 ( 2x +4 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 24 ( 2x +4 ) -3 -48 x -3 ] 1 3

= π [ 24 ( 2x +4 ) 3 - 48 x 3 ] 1 3

= π · ( 24 ( 23 +4 ) 3 - 48 3 3 - ( 24 ( 21 +4 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 24 ( 6 +4 ) 3 -48( 1 27 ) - ( 24 ( 2 +4 ) 3 -481 ) )

= π · ( 24 10 3 - 16 9 - ( 24 6 3 -48 ) )

= π · ( 24( 1 1000 ) - 16 9 - ( 24( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 3 125 - 16 9 - ( 1 9 -48 ) )

= π · ( 27 1125 - 2000 1125 - ( 1 9 - 432 9 ) )

= π · ( - 1973 1125 -1 · ( - 431 9 ) )

= π · ( - 1973 1125 + 431 9 )

= π · 51902 1125

= 51902 1125 π


≈ 144,938

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( x ) 2 x
= π 0 3 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 0 )

= π · ( 9 +0 )

= π · 9

= 9π


≈ 28,274