Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 e -x 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 e -x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 1 2 e -x ⅆ x

= π [ -2 e -x ] 0 1

= π · ( -2 e -1 +2 e -0 )

= π · ( -2 e -1 +2 )


≈ 3,972

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +2 ) 2 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 ( 10 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 4 ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 4 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) ⅆ x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 4

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 100 9 ( 3⋅4 +2 ) 3 - 100 3⋅ 4 3 - ( 100 9 ( 3⋅1 +2 ) 3 - 100 3⋅ 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 12 +2 ) 3 - 100 3 ⋅( 1 64 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 ⋅1 ) )

= π · ( 100 9⋅ 14 3 - 25 48 - ( 100 9⋅ 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ⋅( 1 2744 ) - 25 48 - ( 100 9 ⋅( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 25 6174 - 25 48 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 200 49392 - 25725 49392 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 25525 49392 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 25525 49392 + 1496 45 )

= π · 898047 27440

= 898047 27440 π


≈ 102,817

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 2 ( e 0,4x -2 e 0,2x +1 ) ⅆ x

= π [ 5 2 e 0,4x -10 e 0,2x + x ] 0 2

= π · ( 5 2 e 0,4⋅2 -10 e 0,2⋅2 +2 - ( 5 2 e 0,4⋅0 -10 e 0,2⋅0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 e 0 -10 e 0 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 -10 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 - ( 5 2 - 20 2 +0) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 +2 + 15 2 )

= π · ( 5 2 e 0,8 -10 e 0,4 + 19 2 )


≈ 0,457