Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= x +3 soll im Intervall [-1,0] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π -1 0 ( x +3 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +3 ) 3 ] -1 0

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

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 2 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 8 )

= π · ( 9 - 8 3 )

= π · ( 27 3 - 8 3 )

= π · 19 3

= 19 3 π


≈ 19,897

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 3 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 3

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

= π · ( 4 3 4 3 - 4 3 ( 1 27 ) - ( 4 3 2 3 - 4 3 1 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 64 ) - 4 81 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 1 48 - 4 81 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 27 1296 - 64 1296 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 37 1296 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 37 1296 + 7 6 )

= π · ( - 37 1296 + 1512 1296 )

= π · ( - 37 1296 + 7 6 )

= π · 1475 1296

= 1475 1296 π


≈ 3,576

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +10 2x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] 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 = 4x +10 2x +3 -2 = 4x +10 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +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 ( 4x +10 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 4x +10 -4x -6 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 ( 4 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 4 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 3 16 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 3 16 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ -8 ( 2x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 8 2x +3 ] 0 3

= π · ( - 8 23 +3 + 8 20 +3 )

= π · ( - 8 6 +3 + 8 0 +3 )

= π · ( - 8 9 + 8 3 )

= π · ( -8( 1 9 ) +8( 1 3 ) )

= π · ( - 8 9 + 8 3 )

= π · ( - 8 9 + 24 9 )

= π · 16 9

= 16 9 π


≈ 5,585