Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 3x +3 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 3x +3 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 3x +3 ) 2 x
= π 0 2 4 ( 3x +3 ) -2 x

= π [ - 4 3 ( 3x +3 ) -1 ] 0 2

= π [ - 4 3( 3x +3 ) ] 0 2

= π · ( - 4 3( 32 +3 ) + 4 3( 30 +3 ) )

= π · ( - 4 3( 6 +3 ) + 4 3( 0 +3 ) )

= π · ( - 4 3 9 + 4 3 3 )

= π · ( - 4 3 ( 1 9 ) + 4 3 ( 1 3 ) )

= π · ( - 4 27 + 4 9 )

= π · ( - 4 27 + 12 27 )

= π · 8 27

= 8 27 π


≈ 0,931

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 [1,4] 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 4 ( 3 x ) 2 x - π 1 4 ( 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 4 ( ( 3 x ) 2 - ( 3 2x +2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 9 2 ( 2x +2 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 2( 2x +2 ) - 9 x ] 1 4

= π · ( 9 2( 24 +2 ) - 9 4 - ( 9 2( 21 +2 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 8 +2 ) -9( 1 4 ) - ( 9 2( 2 +2 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 10 - 9 4 - ( 9 2 4 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 10 ) - 9 4 - ( 9 2 ( 1 4 ) -9 ) )

= π · ( 9 20 - 9 4 - ( 9 8 -9 ) )

= π · ( 9 20 - 45 20 - ( 9 8 - 72 8 ) )

= π · ( - 9 5 -1 · ( - 63 8 ) )

= π · ( - 9 5 + 63 8 )

= π · 243 40

= 243 40 π


≈ 19,085

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 [0,3] 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 3 ( 3x +2 -1 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 3

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

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

= π · ( 1 9 10 3 - 1 9 1 3 )

= π · ( 1 9 1000 - 1 9 1 )

= π · ( 1000 9 - 1 9 )

= π · 111

= 111π


≈ 348,717