Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 x +4 soll im Intervall [0,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ -16 ( x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 16 x +4 ] 0 2

= π · ( - 16 2 +4 + 16 0 +4 )

= π · ( - 16 6 + 16 4 )

= π · ( -16( 1 6 ) +16( 1 4 ) )

= π · ( - 8 3 +4 )

= π · ( - 8 3 + 12 3 )

= π · 4 3

= 4 3 π


≈ 4,189

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +4 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 36 ( 2x +4 ) 4 + 36 x 4 ) x
= π 1 3 ( -36 ( 2x +4 ) -4 +36 x -4 ) x

= π [ 6 ( 2x +4 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 6 ( 2x +4 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

= π · ( 6 ( 23 +4 ) 3 - 12 3 3 - ( 6 ( 21 +4 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 6 +4 ) 3 -12( 1 27 ) - ( 6 ( 2 +4 ) 3 -121 ) )

= π · ( 6 10 3 - 4 9 - ( 6 6 3 -12 ) )

= π · ( 6( 1 1000 ) - 4 9 - ( 6( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 3 500 - 4 9 - ( 1 36 -12 ) )

= π · ( 27 4500 - 2000 4500 - ( 1 36 - 432 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 -1 · ( - 431 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 + 431 36 )

= π · 25951 2250

= 25951 2250 π


≈ 36,234

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e 0,6x -8 e 0,3x +4 ) x

= π [ 20 3 e 0,6x - 80 3 e 0,3x +4x ] 0 1

= π · ( 20 3 e 0,61 - 80 3 e 0,31 +41 - ( 20 3 e 0,60 - 80 3 e 0,30 +40 ) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +4 - ( 20 3 e 0 - 80 3 e 0 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +4 - ( 20 3 - 80 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +4 - ( 20 3 - 80 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +4 -1 · ( -20 ) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +4 +20 )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 80 3 e 0,3 +24 )


≈ 0,475