Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π -1 2 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] -1 2

= π · ( 1 9 ( 32 +1 ) 3 - 1 9 ( 3( -1 ) +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +1 ) 3 - 1 9 ( -3 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 7 3 - 1 9 ( -2 ) 3 )

= π · ( 1 9 343 - 1 9 ( -8 ) )

= π · ( 343 9 + 8 9 )

= π · 39

= 39π


≈ 122,522

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 7 x 2 und g(x)= 7 ( 3x +4 ) 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 ( 7 x 2 ) 2 x - π 1 4 ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 7 x 2 ) 2 - ( 7 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 49 x 4 - 49 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 4 ( - 49 ( 3x +4 ) 4 + 49 x 4 ) x
= π 1 4 ( -49 ( 3x +4 ) -4 +49 x -4 ) x

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) -3 - 49 3 x -3 ] 1 4

= π [ 49 9 ( 3x +4 ) 3 - 49 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 49 9 ( 34 +4 ) 3 - 49 3 4 3 - ( 49 9 ( 31 +4 ) 3 - 49 3 1 3 ) )

= π · ( 49 9 ( 12 +4 ) 3 - 49 3 ( 1 64 ) - ( 49 9 ( 3 +4 ) 3 - 49 3 1 ) )

= π · ( 49 9 16 3 - 49 192 - ( 49 9 7 3 - 49 3 ) )

= π · ( 49 9 ( 1 4096 ) - 49 192 - ( 49 9 ( 1 343 ) - 49 3 ) )

= π · ( 49 36864 - 49 192 - ( 1 63 - 49 3 ) )

= π · ( 49 36864 - 9408 36864 - ( 1 63 - 1029 63 ) )

= π · ( - 9359 36864 -1 · ( - 1028 63 ) )

= π · ( - 9359 36864 + 1028 63 )

= π · 460575 28672

= 460575 28672 π


≈ 50,465

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 3 ( 2x +1 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( 1 6 ( 23 +1 ) 3 - 1 6 ( 20 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 6 +1 ) 3 - 1 6 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( 1 6 7 3 - 1 6 1 3 )

= π · ( 1 6 343 - 1 6 1 )

= π · ( 343 6 - 1 6 )

= π · 57

= 57π


≈ 179,071