Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π 1 4 ( 3x +1 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +1 ) 3 ] 1 4

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

= π · ( 1 9 ( 12 +1 ) 3 - 1 9 ( 3 +1 ) 3 )

= π · ( 1 9 13 3 - 1 9 4 3 )

= π · ( 1 9 2197 - 1 9 64 )

= π · ( 2197 9 - 64 9 )

= π · 237

= 237π


≈ 744,557

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 21 x 2 und g(x)= 21 ( 3x +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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Der so entstandene Rotationskörper kann man sich vorstellen als Rotatationskörper, der durch Rotation der Fläche unter dem Graph von f entsteht, und aus dem der Rotationskörper, der durch Rotations der Fläche unter dem Graph von g entsteht, herausgefräst wird. Dadurch ergibt sich für solch einen Rotationskörper die Formel:

V = π 1 3 ( 21 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 21 ( 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 3 ( ( 21 x 2 ) 2 - ( 21 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 441 x 4 - 441 ( 3x +4 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 441 ( 3x +4 ) 4 + 441 x 4 ) x
= π 1 3 ( -441 ( 3x +4 ) -4 +441 x -4 ) x

= π [ 49 ( 3x +4 ) -3 -147 x -3 ] 1 3

= π [ 49 ( 3x +4 ) 3 - 147 x 3 ] 1 3

= π · ( 49 ( 33 +4 ) 3 - 147 3 3 - ( 49 ( 31 +4 ) 3 - 147 1 3 ) )

= π · ( 49 ( 9 +4 ) 3 -147( 1 27 ) - ( 49 ( 3 +4 ) 3 -1471 ) )

= π · ( 49 13 3 - 49 9 - ( 49 7 3 -147 ) )

= π · ( 49( 1 2197 ) - 49 9 - ( 49( 1 343 ) -147 ) )

= π · ( 49 2197 - 49 9 - ( 1 7 -147 ) )

= π · ( 441 19773 - 107653 19773 - ( 1 7 - 1029 7 ) )

= π · ( - 107212 19773 -1 · ( - 1028 7 ) )

= π · ( - 107212 19773 + 1028 7 )

= π · 19576160 138411

= 19576160 138411 π


≈ 444,331

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3x +17 x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,3] um diese Gerade y = 3 (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 = 3 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-3 = 3x +17 x +4 -3 = 3x +17 x +4 - 3( x +4 ) x +4
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 ( 3x +17 x +4 - 3( x +4 ) x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 3x +17 -3x -12 x +4 ) 2 x

= π 0 3 ( 5 x +4 ) 2 x

= π 0 3 5 2 · 1 ( x +4 ) 2 x

= π 0 3 25 ( x +4 ) 2 x
= π 0 3 25 ( x +4 ) -2 x

= π [ -25 ( x +4 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 x +4 ] 0 3

= π · ( - 25 3 +4 + 25 0 +4 )

= π · ( - 25 7 + 25 4 )

= π · ( -25( 1 7 ) +25( 1 4 ) )

= π · ( - 25 7 + 25 4 )

= π · ( - 100 28 + 175 28 )

= π · 75 28

= 75 28 π


≈ 8,415