Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2 x 3 +2 x 2 +5x soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π ∫ 0 3 ( 2 x 3 +2 x 2 +5x ) 2 ⅆ x
= π ∫ 0 3 ( 2 x 3 +2 x 2 +5x ) ⅆ x

= π [ 1 2 x 4 + 2 3 x 3 + 5 2 x 2 ] 0 3

= π · ( 1 2 ⋅ 3 4 + 2 3 ⋅ 3 3 + 5 2 ⋅ 3 2 - ( 1 2 ⋅ 0 4 + 2 3 ⋅ 0 3 + 5 2 ⋅ 0 2 ) )

= π · ( 1 2 ⋅81 + 2 3 ⋅27 + 5 2 ⋅9 - ( 1 2 ⋅0 + 2 3 ⋅0 + 5 2 ⋅0 ) )

= π · ( 81 2 +18 + 45 2 - (0+0+0) )

= π · ( 81 2 + 36 2 + 45 2 +0 )

= π · ( 81 )

= 81π


≈ 254,469

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π ∫ 1 4 ( 9 x 2 - 9 ( 2x +1 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 4 ( - 9 ( 2x +1 ) 2 + 9 x 2 ) ⅆ x
= π ∫ 1 4 ( -9 ( 2x +1 ) -2 +9 x -2 ) ⅆ x

= π [ 9 2 ( 2x +1 ) -1 -9 x -1 ] 1 4

= π [ 9 2( 2x +1 ) - 9 x ] 1 4

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

= π · ( 9 2( 8 +1 ) -9⋅( 1 4 ) - ( 9 2( 2 +1 ) -9⋅1 ) )

= π · ( 9 2⋅ 9 - 9 4 - ( 9 2⋅ 3 -9 ) )

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

= π · ( 1 2 - 9 4 - ( 3 2 -9 ) )

= π · ( 2 4 - 9 4 - ( 3 2 - 18 2 ) )

= π · ( - 7 4 -1 · ( - 15 2 ) )

= π · ( - 7 4 + 15 2 )

= π · 23 4

= 23 4 π


≈ 18,064

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π ∫ 0 1 ( 9 e 0,8x -6 e 0,4x +1 ) ⅆ x

= π [ 45 4 e 0,8x -15 e 0,4x + x ] 0 1

= π · ( 45 4 e 0,8⋅1 -15 e 0,4⋅1 +1 - ( 45 4 e 0,8⋅0 -15 e 0,4⋅0 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 e 0 -15 e 0 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 -15 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 - ( 45 4 - 60 4 +0) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 -1 · ( - 15 4 ) )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 +1 + 15 4 )

= π · ( 45 4 e 0,8 -15 e 0,4 + 19 4 )


≈ 23,279