Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 + x +3 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 0 1 ( 2 x 3 + x +3 ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 ( 2 x 3 + x +3 ) ⅆ x

= π [ 1 2 x 4 + 1 2 x 2 +3x ] 0 1

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

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

= π · ( 1 2 + 1 2 +3 - (0+0+0) )

= π · ( 1 2 + 1 2 + 6 2 +0 )

= π · ( 4 )

= 4π


≈ 12,566

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 8 x 2 und g(x)= 8 ( 3x +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 ( 8 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 3 ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 3 ( ( 8 x 2 ) 2 - ( 8 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( 64 x 4 - 64 ( 3x +1 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 64 ( 3x +1 ) 4 + 64 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -64 ( 3x +1 ) -4 +64 x -4 ) ⅆ x

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) -3 - 64 3 x -3 ] 1 3

= π [ 64 9 ( 3x +1 ) 3 - 64 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 64 9 ( 3⋅3 +1 ) 3 - 64 3⋅ 3 3 - ( 64 9 ( 3⋅1 +1 ) 3 - 64 3⋅ 1 3 ) )

= π · ( 64 9 ( 9 +1 ) 3 - 64 3 ⋅( 1 27 ) - ( 64 9 ( 3 +1 ) 3 - 64 3 ⋅1 ) )

= π · ( 64 9⋅ 10 3 - 64 81 - ( 64 9⋅ 4 3 - 64 3 ) )

= π · ( 64 9 ⋅( 1 1000 ) - 64 81 - ( 64 9 ⋅( 1 64 ) - 64 3 ) )

= π · ( 8 1125 - 64 81 - ( 1 9 - 64 3 ) )

= π · ( 72 10125 - 8000 10125 - ( 1 9 - 192 9 ) )

= π · ( - 7928 10125 -1 · ( - 191 9 ) )

= π · ( - 7928 10125 + 191 9 )

= π · 206947 10125

= 206947 10125 π


≈ 64,212

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 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 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 -2 = 2 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - 2 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 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 ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - 2 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( 2 ( 3x +4 ) 2 +3 -2 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( 3 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 3 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x

= π ∫ 0 2 9 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 2 9 ( 3x +4 ) -4 ⅆ x

= π [ - ( 3x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1 ( 3x +4 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( - 1 ( 6 +4 ) 3 + 1 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1 10 3 + 1 4 3 )

= π · ( -( 1 1000 ) + 1 64 )

= π · ( - 1 1000 + 1 64 )

= π · ( - 8 8000 + 125 8000 )

= π · 117 8000

= 117 8000 π


≈ 0,046