Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 2 +5x +2 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 x 2 +5x +2 ) 2 x
= π 0 2 ( 2 x 2 +5x +2 ) x

= π [ 2 3 x 3 + 5 2 x 2 +2x ] 0 2

= π · ( 2 3 2 3 + 5 2 2 2 +22 - ( 2 3 0 3 + 5 2 0 2 +20 ) )

= π · ( 2 3 8 + 5 2 4 +4 - ( 2 3 0 + 5 2 0 +0) )

= π · ( 16 3 +10 +4 - (0+0+0) )

= π · ( 16 3 + 30 3 + 12 3 +0 )

= π · ( 58 3 )

= 58 3 π


≈ 60,737

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( x +3 ) 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 ( 8 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 64 x 4 - 64 ( x +3 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 64 ( x +3 ) 4 + 64 x 4 ) x
= π 1 4 ( -64 ( x +3 ) -4 +64 x -4 ) x

= π [ 64 3 ( x +3 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 4

= π [ 64 3 ( x +3 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 64 3 ( 4 +3 ) 3 - 64 3 4 3 - ( 64 3 ( 1 +3 ) 3 - 64 3 1 3 ) )

= π · ( 64 3 7 3 - 64 3 ( 1 64 ) - ( 64 3 4 3 - 64 3 1 ) )

= π · ( 64 3 ( 1 343 ) - 1 3 - ( 64 3 ( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 64 1029 - 1 3 - ( 1 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 1029 - 343 1029 -1 · ( -21 ) )

= π · ( - 93 343 +21 )

= π · ( - 93 343 + 7203 343 )

= π · 7110 343

= 7110 343 π


≈ 65,122

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 e 0,1x 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 = 3 e 0,1x -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 ( 3 e 0,1x -3 ) 2 x

= π 0 3 ( 9 e 0,2x -18 e 0,1x +9 ) x

= π [ 45 e 0,2x -180 e 0,1x +9x ] 0 3

= π · ( 45 e 0,23 -180 e 0,13 +93 - ( 45 e 0,20 -180 e 0,10 +90 ) )

= π · ( 45 e 0,6 -180 e 0,3 +27 - ( 45 e 0 -180 e 0 +0) )

= π · ( 45 e 0,6 -180 e 0,3 +27 - ( 45 -180 +0) )

= π · ( 45 e 0,6 -180 e 0,3 +27 -1 · ( -135 ) )

= π · ( 45 e 0,6 -180 e 0,3 +27 +135 )

= π · ( 45 e 0,6 -180 e 0,3 +162 )


≈ 3,207