Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ - 1 6 e -6x ] 1 3

= π · ( - 1 6 e -63 + 1 6 e -61 )

= π · ( - 1 6 e -18 + 1 6 e -6 )

= π · ( 1 6 e -6 - 1 6 e -18 )


≈ 0,001

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 2x +4 ) 2 + 9 x 2 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 2x +4 ) -2 +9 x -2 ) x

= π [ 9 2 ( 2x +4 ) -1 -9 x -1 ] 1 3

= π [ 9 2( 2x +4 ) - 9 x ] 1 3

= π · ( 9 2( 23 +4 ) - 9 3 - ( 9 2( 21 +4 ) - 9 1 ) )

= π · ( 9 2( 6 +4 ) -9( 1 3 ) - ( 9 2( 2 +4 ) -91 ) )

= π · ( 9 2 10 -3 - ( 9 2 6 -9 ) )

= π · ( 9 2 ( 1 10 ) -3 - ( 9 2 ( 1 6 ) -9 ) )

= π · ( 9 20 -3 - ( 3 4 -9 ) )

= π · ( 9 20 - 60 20 - ( 3 4 - 36 4 ) )

= π · ( - 51 20 -1 · ( - 33 4 ) )

= π · ( - 51 20 + 33 4 )

= π · 57 10

= 57 10 π


≈ 17,907

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 4x +11 2x +3 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] 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 +11 2x +3 -2 = 4x +11 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 1 ( 4x +11 2x +3 - 2( 2x +3 ) 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 4x +11 -4x -6 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 ( 5 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 5 2 · 1 ( 2x +3 ) 2 x

= π 0 1 25 ( 2x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( 2x +3 ) -2 x

= π [ - 25 2 ( 2x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 2( 2x +3 ) ] 0 1

= π · ( - 25 2( 21 +3 ) + 25 2( 20 +3 ) )

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

= π · ( - 25 2 5 + 25 2 3 )

= π · ( - 25 2 ( 1 5 ) + 25 2 ( 1 3 ) )

= π · ( - 5 2 + 25 6 )

= π · ( - 15 6 + 25 6 )

= π · 5 3

= 5 3 π


≈ 5,236