Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x 2 +3x +4 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 2 ( x 2 +3x +4 ) 2 x
= π 0 2 ( x 2 +3x +4 ) x

= π [ 1 3 x 3 + 3 2 x 2 +4x ] 0 2

= π · ( 1 3 2 3 + 3 2 2 2 +42 - ( 1 3 0 3 + 3 2 0 2 +40 ) )

= π · ( 1 3 8 + 3 2 4 +8 - ( 1 3 0 + 3 2 0 +0) )

= π · ( 8 3 +6 +8 - (0+0+0) )

= π · ( 8 3 + 18 3 + 24 3 +0 )

= π · ( 50 3 )

= 50 3 π


≈ 52,36

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 21 x 2 und g(x)= 21 ( 3x +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 ( 21 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 21 ( 3x +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 ( ( 21 x 2 ) 2 - ( 21 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 441 x 4 - 441 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 441 ( 3x +4 ) 4 + 441 x 4 ) x
= π 1 3 ( -441 ( 3x +4 ) -4 +441 x -4 ) x

= π [ 49 ( 3x +4 ) -3 -147 x -3 ] 1 3

= π [ 49 ( 3x +4 ) 3 - 147 x 3 ] 1 3

= π · ( 49 ( 33 +4 ) 3 - 147 3 3 - ( 49 ( 31 +4 ) 3 - 147 1 3 ) )

= π · ( 49 ( 9 +4 ) 3 -147( 1 27 ) - ( 49 ( 3 +4 ) 3 -1471 ) )

= π · ( 49 13 3 - 49 9 - ( 49 7 3 -147 ) )

= π · ( 49( 1 2197 ) - 49 9 - ( 49( 1 343 ) -147 ) )

= π · ( 49 2197 - 49 9 - ( 1 7 -147 ) )

= π · ( 441 19773 - 107653 19773 - ( 1 7 - 1029 7 ) )

= π · ( - 107212 19773 -1 · ( - 1028 7 ) )

= π · ( - 107212 19773 + 1028 7 )

= π · 19576160 138411

= 19576160 138411 π


≈ 444,331

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 e 0,3x und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,2] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2 e 0,3x -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 2 ( 2 e 0,3x -2 ) 2 x

= π 0 2 ( 4 e 0,6x -8 e 0,3x +4 ) x

= π [ 20 3 e 0,6x - 80 3 e 0,3x +4x ] 0 2

= π · ( 20 3 e 0,62 - 80 3 e 0,32 +42 - ( 20 3 e 0,60 - 80 3 e 0,30 +40 ) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +8 - ( 20 3 e 0 - 80 3 e 0 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +8 - ( 20 3 - 80 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +8 - ( 20 3 - 80 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +8 -1 · ( -20 ) )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +8 +20 )

= π · ( 20 3 e 1,2 - 80 3 e 0,6 +28 )


≈ 4,851