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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +3 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 +3 ) 2 x
= π 0 2 25 ( x +3 ) 2 x
= π 0 2 25 ( x +3 ) -2 x

= π [ -25 ( x +3 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 x +3 ] 0 2

= π · ( - 25 2 +3 + 25 0 +3 )

= π · ( - 25 5 + 25 3 )

= π · ( -25( 1 5 ) +25( 1 3 ) )

= π · ( -5 + 25 3 )

= π · ( - 15 3 + 25 3 )

= π · 10 3

= 10 3 π


≈ 10,472

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 3x +3 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 ( 5 x ) 2 x - π 1 3 ( 5 3x +3 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 25 x 2 - 25 ( 3x +3 ) 2 ) x

= π 1 3 ( - 25 ( 3x +3 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 3 ( -25 ( 3x +3 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 3 ( 3x +3 ) -1 -25 x -1 ] 1 3

= π [ 25 3( 3x +3 ) - 25 x ] 1 3

= π · ( 25 3( 33 +3 ) - 25 3 - ( 25 3( 31 +3 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 3( 9 +3 ) -25( 1 3 ) - ( 25 3( 3 +3 ) -251 ) )

= π · ( 25 3 12 - 25 3 - ( 25 3 6 -25 ) )

= π · ( 25 3 ( 1 12 ) - 25 3 - ( 25 3 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 36 - 25 3 - ( 25 18 -25 ) )

= π · ( 25 36 - 300 36 - ( 25 18 - 450 18 ) )

= π · ( - 275 36 -1 · ( - 425 18 ) )

= π · ( - 275 36 + 425 18 )

= π · 575 36

= 575 36 π


≈ 50,178

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 und der Geraden y = 2 rotiert im Intervall [0,1] um diese Gerade y = 2 (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 = 2 (linkes Schaubild) ist die gleiche Fläche wie die zwischen der Differenzfunktion f(x)-2 = 2 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 -2 = 2 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 - 2 ( 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 1 ( 2 ( 2x +4 ) 2 +3 ( 2x +4 ) 2 - 2 ( 2x +4 ) 2 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 3 ( 2x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 3 2 · 1 ( 2x +4 ) 4 x

= π 0 1 9 ( 2x +4 ) 4 x
= π 0 1 9 ( 2x +4 ) -4 x

= π [ - 3 2 ( 2x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 3 2 ( 2x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 3 2 ( 21 +4 ) 3 + 3 2 ( 20 +4 ) 3 )

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

= π · ( - 3 2 6 3 + 3 2 4 3 )

= π · ( - 3 2 ( 1 216 ) + 3 2 ( 1 64 ) )

= π · ( - 1 144 + 3 128 )

= π · ( - 8 1152 + 27 1152 )

= π · 19 1152

= 19 1152 π


≈ 0,052