Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 0 1 ( 3 2x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( 2x +1 ) 2 x
= π 0 1 9 ( 2x +1 ) -2 x

= π [ - 9 2 ( 2x +1 ) -1 ] 0 1

= π [ - 9 2( 2x +1 ) ] 0 1

= π · ( - 9 2( 21 +1 ) + 9 2( 20 +1 ) )

= π · ( - 9 2( 2 +1 ) + 9 2( 0 +1 ) )

= π · ( - 9 2 3 + 9 2 )

= π · ( - 9 2 ( 1 3 ) + 9 2 1 )

= π · ( - 3 2 + 9 2 )

= π · 3

= 3π


≈ 9,425

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 15 x 2 und g(x)= 15 ( 2x +3 ) 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 ( 15 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 15 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 15 x 2 ) 2 - ( 15 ( 2x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 225 x 4 - 225 ( 2x +3 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 225 ( 2x +3 ) 4 + 225 x 4 ) x
= π 1 3 ( -225 ( 2x +3 ) -4 +225 x -4 ) x

= π [ 75 2 ( 2x +3 ) -3 -75 x -3 ] 1 3

= π [ 75 2 ( 2x +3 ) 3 - 75 x 3 ] 1 3

= π · ( 75 2 ( 23 +3 ) 3 - 75 3 3 - ( 75 2 ( 21 +3 ) 3 - 75 1 3 ) )

= π · ( 75 2 ( 6 +3 ) 3 -75( 1 27 ) - ( 75 2 ( 2 +3 ) 3 -751 ) )

= π · ( 75 2 9 3 - 25 9 - ( 75 2 5 3 -75 ) )

= π · ( 75 2 ( 1 729 ) - 25 9 - ( 75 2 ( 1 125 ) -75 ) )

= π · ( 25 486 - 25 9 - ( 3 10 -75 ) )

= π · ( 25 486 - 1350 486 - ( 3 10 - 750 10 ) )

= π · ( - 1325 486 -1 · ( - 747 10 ) )

= π · ( - 1325 486 + 747 10 )

= π · 87448 1215

= 87448 1215 π


≈ 226,112

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 2x +3 ) 2 +3 ( 2x +3 ) 2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 2 (nicht um die x-Achse).
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(
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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 ( 2x +3 ) 2 +3 ( 2x +3 ) 2 -2 = 2 ( 2x +3 ) 2 +3 ( 2x +3 ) 2 - 2 ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 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 3 ( 2 ( 2x +3 ) 2 +3 ( 2x +3 ) 2 - 2 ( 2x +3 ) 2 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 3 ( 3 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( 2x +3 ) 4 x

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

= π [ - 3 2 ( 2x +3 ) -3 ] 0 3

= π [ - 3 2 ( 2x +3 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 3 2 ( 23 +3 ) 3 + 3 2 ( 20 +3 ) 3 )

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

= π · ( - 3 2 9 3 + 3 2 3 3 )

= π · ( - 3 2 ( 1 729 ) + 3 2 ( 1 27 ) )

= π · ( - 1 486 + 1 18 )

= π · ( - 1 486 + 27 486 )

= π · 13 243

= 13 243 π


≈ 0,168