Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x +3 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 4 x +3 ) 2 x
= π 0 3 16 ( x +3 ) 2 x
= π 0 3 16 ( x +3 ) -2 x

= π [ -16 ( x +3 ) -1 ] 0 3

= π [ - 16 x +3 ] 0 3

= π · ( - 16 3 +3 + 16 0 +3 )

= π · ( - 16 6 + 16 3 )

= π · ( -16( 1 6 ) +16( 1 3 ) )

= π · ( - 8 3 + 16 3 )

= π · 8 3

= 8 3 π


≈ 8,378

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 12 x 2 und g(x)= 12 ( 3x +3 ) 2 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,2] 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 2 ( 12 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 12 ( 3x +3 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 12 x 2 ) 2 - ( 12 ( 3x +3 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 144 x 4 - 144 ( 3x +3 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 144 ( 3x +3 ) 4 + 144 x 4 ) x
= π 1 2 ( -144 ( 3x +3 ) -4 +144 x -4 ) x

= π [ 16 ( 3x +3 ) -3 -48 x -3 ] 1 2

= π [ 16 ( 3x +3 ) 3 - 48 x 3 ] 1 2

= π · ( 16 ( 32 +3 ) 3 - 48 2 3 - ( 16 ( 31 +3 ) 3 - 48 1 3 ) )

= π · ( 16 ( 6 +3 ) 3 -48( 1 8 ) - ( 16 ( 3 +3 ) 3 -481 ) )

= π · ( 16 9 3 -6 - ( 16 6 3 -48 ) )

= π · ( 16( 1 729 ) -6 - ( 16( 1 216 ) -48 ) )

= π · ( 16 729 -6 - ( 2 27 -48 ) )

= π · ( 16 729 - 4374 729 - ( 2 27 - 1296 27 ) )

= π · ( - 4358 729 -1 · ( - 1294 27 ) )

= π · ( - 4358 729 + 1294 27 )

= π · 30580 729

= 30580 729 π


≈ 131,783

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 2 ( x +2 ) 2 x

= π [ 1 3 ( x +2 ) 3 ] 0 2

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

= π · ( 1 3 4 3 - 1 3 2 3 )

= π · ( 1 3 64 - 1 3 8 )

= π · ( 64 3 - 8 3 )

= π · 56 3

= 56 3 π


≈ 58,643