Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +1 soll im Intervall [-1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 2 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 6 ( 22 +1 ) 3 - 1 6 ( 2( -1 ) +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 4 +1 ) 3 - 1 6 ( -2 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 ( -1 ) 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 ( -1 ) )

= π · ( 125 6 + 1 6 )

= π · 21

= 21π


≈ 65,973

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( x +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 ( 15 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 15 ( x +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 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 225 x 4 - 225 ( x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 225 ( x +4 ) 4 + 225 x 4 ) x
= π 1 3 ( -225 ( x +4 ) -4 +225 x -4 ) x

= π [ 75 ( x +4 ) -3 -75 x -3 ] 1 3

= π [ 75 ( x +4 ) 3 - 75 x 3 ] 1 3

= π · ( 75 ( 3 +4 ) 3 - 75 3 3 - ( 75 ( 1 +4 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 75 7 3 -75( 1 27 ) - ( 75 5 3 -751 ) )

= π · ( 75( 1 343 ) - 25 9 - ( 75( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 75 343 - 25 9 - ( 3 5 -75 ) )

= π · ( 675 3087 - 8575 3087 - ( 3 5 - 375 5 ) )

= π · ( - 7900 3087 -1 · ( - 372 5 ) )

= π · ( - 7900 3087 + 372 5 )

= π · ( - 39500 15435 + 1148364 15435 )

= π · ( - 7900 3087 + 372 5 )

= π · 1108864 15435

= 1108864 15435 π


≈ 225,695

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 = 3x +2 -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 2 ( 3x +2 -1 ) 2 x

= π 0 2 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 2

= π · ( 1 9 ( 32 +1 ) 3 - 1 9 ( 30 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +1 ) 3 - 1 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 7 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 343 - 1 9 1 )

= π · ( 343 9 - 1 9 )

= π · 38

= 38π


≈ 119,381