Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -3x 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 e -3x ) 2 x
= π 0 2 4 e -6x x

= π [ - 2 3 e -6x ] 0 2

= π · ( - 2 3 e -62 + 2 3 e -60 )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 e 0 )

= π · ( - 2 3 e -12 + 2 3 )


≈ 2,094

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 2x +1 ) 2 ) x

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

= π [ 2 ( 2x +1 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 2 2x +1 - 4 x ] 1 3

= π · ( 2 23 +1 - 4 3 - ( 2 21 +1 - 4 1 ) )

= π · ( 2 6 +1 -4( 1 3 ) - ( 2 2 +1 -41 ) )

= π · ( 2 7 - 4 3 - ( 2 3 -4 ) )

= π · ( 2( 1 7 ) - 4 3 - ( 2( 1 3 ) -4 ) )

= π · ( 2 7 - 4 3 - ( 2 3 -4 ) )

= π · ( 6 21 - 28 21 - ( 2 3 - 12 3 ) )

= π · ( - 22 21 -1 · ( - 10 3 ) )

= π · ( - 22 21 + 10 3 )

= π · 16 7

= 16 7 π


≈ 7,181

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( 9 e 0,6x -18 e 0,3x +9 ) x

= π [ 15 e 0,6x -60 e 0,3x +9x ] 0 2

= π · ( 15 e 0,62 -60 e 0,32 +92 - ( 15 e 0,60 -60 e 0,30 +90 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -60 e 0,6 +18 - ( 15 e 0 -60 e 0 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -60 e 0,6 +18 - ( 15 -60 +0) )

= π · ( 15 e 1,2 -60 e 0,6 +18 -1 · ( -45 ) )

= π · ( 15 e 1,2 -60 e 0,6 +18 +45 )

= π · ( 15 e 1,2 -60 e 0,6 +63 )


≈ 10,916