Aufgabenbeispiele von Rotationskörper

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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x 2 +2x +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 ( 5 x 2 +2x +4 ) 2 x
= π 0 2 ( 5 x 2 +2x +4 ) x

= π [ 5 3 x 3 + x 2 +4x ] 0 2

= π · ( 5 3 2 3 + 2 2 +42 - ( 5 3 0 3 + 0 2 +40 ) )

= π · ( 5 3 8 + 4 +8 - ( 5 3 0 + 0 +0) )

= π · ( 40 3 +4 +8 - (0+0+0) )

= π · ( 40 3 + 12 3 + 24 3 +0 )

= π · ( 76 3 )

= 76 3 π


≈ 79,587

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 9 x 2 und g(x)= 9 ( x +2 ) 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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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 2 ( 9 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 2 ( ( 9 x 2 ) 2 - ( 9 ( x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 81 x 4 - 81 ( x +2 ) 4 ) x

= π 1 2 ( - 81 ( x +2 ) 4 + 81 x 4 ) x
= π 1 2 ( -81 ( x +2 ) -4 +81 x -4 ) x

= π [ 27 ( x +2 ) -3 -27 x -3 ] 1 2

= π [ 27 ( x +2 ) 3 - 27 x 3 ] 1 2

= π · ( 27 ( 2 +2 ) 3 - 27 2 3 - ( 27 ( 1 +2 ) 3 - 27 1 3 ) )

= π · ( 27 4 3 -27( 1 8 ) - ( 27 3 3 -271 ) )

= π · ( 27( 1 64 ) - 27 8 - ( 27( 1 27 ) -27 ) )

= π · ( 27 64 - 27 8 - ( 1 -27 ) )

= π · ( 27 64 - 216 64 -1 · ( -26 ) )

= π · ( - 189 64 +26 )

= π · ( - 189 64 + 1664 64 )

= π · 1475 64

= 1475 64 π


≈ 72,404

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 9x +17 3x +4 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,2] 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 = 9x +17 3x +4 -3 = 9x +17 3x +4 - 3( 3x +4 ) 3x +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 2 ( 9x +17 3x +4 - 3( 3x +4 ) 3x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 9x +17 -9x -12 3x +4 ) 2 x

= π 0 2 ( 5 3x +4 ) 2 x

= π 0 2 5 2 · 1 ( 3x +4 ) 2 x

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

= π [ - 25 3 ( 3x +4 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 3( 3x +4 ) ] 0 2

= π · ( - 25 3( 32 +4 ) + 25 3( 30 +4 ) )

= π · ( - 25 3( 6 +4 ) + 25 3( 0 +4 ) )

= π · ( - 25 3 10 + 25 3 4 )

= π · ( - 25 3 ( 1 10 ) + 25 3 ( 1 4 ) )

= π · ( - 5 6 + 25 12 )

= π · ( - 10 12 + 25 12 )

= π · 5 4

= 5 4 π


≈ 3,927