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Rotationskörper

Beispiel:

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

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

= π [ 3 4 x 4 +2 x 2 +3x ] 0 1

= π · ( 3 4 1 4 +2 1 2 +31 - ( 3 4 0 4 +2 0 2 +30 ) )

= π · ( 3 4 1 +21 +3 - ( 3 4 0 +20 +0) )

= π · ( 3 4 +2 +3 - (0+0+0) )

= π · ( 3 4 + 8 4 + 12 4 +0 )

= π · ( 23 4 )

= 23 4 π


≈ 18,064

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 4 - 9 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 2x +1 ) 4 + 9 x 4 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 2x +1 ) -4 +9 x -4 ) x

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) -3 -3 x -3 ] 1 3

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) 3 - 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 3 2 ( 23 +1 ) 3 - 3 3 3 - ( 3 2 ( 21 +1 ) 3 - 3 1 3 ) )

= π · ( 3 2 ( 6 +1 ) 3 -3( 1 27 ) - ( 3 2 ( 2 +1 ) 3 -31 ) )

= π · ( 3 2 7 3 - 1 9 - ( 3 2 3 3 -3 ) )

= π · ( 3 2 ( 1 343 ) - 1 9 - ( 3 2 ( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 3 686 - 1 9 - ( 1 18 -3 ) )

= π · ( 27 6174 - 686 6174 - ( 1 18 - 54 18 ) )

= π · ( - 659 6174 -1 · ( - 53 18 ) )

= π · ( - 659 6174 + 53 18 )

= π · 2920 1029

= 2920 1029 π


≈ 8,915

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 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 = 3 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 -3 = 3 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 - 3 ( 2x +4 ) 2 ( 2x +4 ) 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 3 ( 3 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 - 3 ( 2x +4 ) 2 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 3 ( 3 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 3 3 2 · 1 ( 2x +4 ) 4 x

= π 0 3 9 ( 2x +4 ) 4 x
= π 0 3 9 ( 2x +4 ) -4 x

= π [ - 3 2 ( 2x +4 ) -3 ] 0 3

= π [ - 3 2 ( 2x +4 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 3 2 ( 23 +4 ) 3 + 3 2 ( 20 +4 ) 3 )

= π · ( - 3 2 ( 6 +4 ) 3 + 3 2 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 3 2 10 3 + 3 2 4 3 )

= π · ( - 3 2 ( 1 1000 ) + 3 2 ( 1 64 ) )

= π · ( - 3 2000 + 3 128 )

= π · ( - 24 16000 + 375 16000 )

= π · 351 16000

= 351 16000 π


≈ 0,069