Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 3x +2 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 1 ( 4 3x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 3x +2 ) 2 x
= π 0 1 16 ( 3x +2 ) -2 x

= π [ - 16 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 16 3( 3x +2 ) ] 0 1

= π · ( - 16 3( 31 +2 ) + 16 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 16 3( 3 +2 ) + 16 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 16 3 5 + 16 3 2 )

= π · ( - 16 3 ( 1 5 ) + 16 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 16 15 + 8 3 )

= π · ( - 16 15 + 40 15 )

= π · 8 5

= 8 5 π


≈ 5,027

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 4 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 4

= π · ( 4 3 ( 4 +1 ) 3 - 4 3 4 3 - ( 4 3 ( 1 +1 ) 3 - 4 3 1 3 ) )

= π · ( 4 3 5 3 - 4 3 ( 1 64 ) - ( 4 3 2 3 - 4 3 1 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 125 ) - 1 48 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 4 375 - 1 48 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 64 6000 - 125 6000 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 61 6000 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · ( - 61 6000 + 7000 6000 )

= π · ( - 61 6000 + 7 6 )

= π · 2313 2000

= 2313 2000 π


≈ 3,633

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= e 0,1x 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 = e 0,1x -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 ( e 0,1x -1 ) 2 x

= π 0 1 ( e 0,2x -2 e 0,1x +1 ) x

= π [ 5 e 0,2x -20 e 0,1x + x ] 0 1

= π · ( 5 e 0,21 -20 e 0,11 +1 - ( 5 e 0,20 -20 e 0,10 +0) )

= π · ( 5 e 0,2 -20 e 0,1 +1 - ( 5 e 0 -20 e 0 +0) )

= π · ( 5 e 0,2 -20 e 0,1 +1 - ( 5 -20 +0) )

= π · ( 5 e 0,2 -20 e 0,1 +1 -1 · ( -15 ) )

= π · ( 5 e 0,2 -20 e 0,1 +1 +15 )

= π · ( 5 e 0,2 -20 e 0,1 +16 )


≈ 0,011