Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 2x +2 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +2 ) 3 - 1 6 ( 20 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +2 ) 3 - 1 6 ( 0 +2 ) 3 )

= π · ( 1 6 4 3 - 1 6 2 3 )

= π · ( 1 6 64 - 1 6 8 )

= π · ( 32 3 - 4 3 )

= π · 28 3

= 28 3 π


≈ 29,322

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +3 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +3 ) -1 -4 x -1 ] 1 4

= π [ 4 3( 3x +3 ) - 4 x ] 1 4

= π · ( 4 3( 34 +3 ) - 4 4 - ( 4 3( 31 +3 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 12 +3 ) -4( 1 4 ) - ( 4 3( 3 +3 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 15 -1 - ( 4 3 6 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 15 ) -1 - ( 4 3 ( 1 6 ) -4 ) )

= π · ( 4 45 -1 - ( 2 9 -4 ) )

= π · ( 4 45 - 45 45 - ( 2 9 - 36 9 ) )

= π · ( - 41 45 -1 · ( - 34 9 ) )

= π · ( - 41 45 + 34 9 )

= π · 43 15

= 43 15 π


≈ 9,006

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= x +1 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 1 (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 = 1 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-1 = x +1 -1
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 ( x +1 -1 ) 2 x

= π 0 3 ( x ) 2 x
= π 0 3 x 2 x

= π [ 1 3 x 3 ] 0 3

= π · ( 1 3 3 3 - 1 3 0 3 )

= π · ( 1 3 27 - 1 3 0 )

= π · ( 9 +0 )

= π · 9

= 9π


≈ 28,274