Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3 e -3x soll im Intervall [-1,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 1 ( 3 e -3x ) 2 x
= π -1 1 9 e -6x x

= π [ - 3 2 e -6x ] -1 1

= π · ( - 3 2 e -61 + 3 2 e -6( -1 ) )

= π · ( - 3 2 e -6 + 3 2 e 6 )

= π · ( 3 2 e 6 - 3 2 e -6 )


≈ 1901,102

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +4 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 2x +4 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +4 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +4 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +4 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 2( 2x +4 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 2( 24 +4 ) - 25 4 - ( 25 2( 21 +4 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 8 +4 ) -25( 1 4 ) - ( 25 2( 2 +4 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 12 - 25 4 - ( 25 2 6 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 12 ) - 25 4 - ( 25 2 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 24 - 25 4 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 25 24 - 150 24 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 125 24 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 125 24 + 275 12 )

= π · 425 24

= 425 24 π


≈ 55,632

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +7 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 +7 3x +2 -1 = 3x +7 3x +2 - 3x +2 3x +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 +7 3x +2 - 3x +2 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +7 -3x -2 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( 3x +2 ) 2 x

= π 0 3 25 ( 3x +2 ) 2 x
= π 0 3 25 ( 3x +2 ) -2 x

= π [ - 25 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 3( 3x +2 ) ] 0 3

= π · ( - 25 3( 33 +2 ) + 25 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 25 3( 9 +2 ) + 25 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 25 3 11 + 25 3 2 )

= π · ( - 25 3 ( 1 11 ) + 25 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 25 33 + 25 6 )

= π · ( - 50 66 + 275 66 )

= π · 75 22

= 75 22 π


≈ 10,71