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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 20 ( x +4 ) 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 ( 20 ( x +4 ) 2 ) 2 x
= π 0 1 400 ( x +4 ) 4 x
= π 0 1 400 ( x +4 ) -4 x

= π [ - 400 3 ( x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 400 3 ( x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 400 3 ( 1 +4 ) 3 + 400 3 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 400 3 5 3 + 400 3 4 3 )

= π · ( - 400 3 ( 1 125 ) + 400 3 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 15 + 25 12 )

= π · ( - 64 60 + 125 60 )

= π · 61 60

= 61 60 π


≈ 3,194

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 [1,2] 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 2 ( 2 x 2 ) 2 x - π 1 2 ( 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 2 ( ( 2 x 2 ) 2 - ( 2 ( x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 2 ( 4 x 4 - 4 ( x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 4 3 ( x +1 ) -3 - 4 3 x -3 ] 1 2

= π [ 4 3 ( x +1 ) 3 - 4 3 x 3 ] 1 2

= π · ( 4 3 ( 2 +1 ) 3 - 4 3 2 3 - ( 4 3 ( 1 +1 ) 3 - 4 3 1 3 ) )

= π · ( 4 3 3 3 - 4 3 ( 1 8 ) - ( 4 3 2 3 - 4 3 1 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 27 ) - 1 6 - ( 4 3 ( 1 8 ) - 4 3 ) )

= π · ( 4 81 - 1 6 - ( 1 6 - 4 3 ) )

= π · ( 8 162 - 27 162 - ( 1 6 - 8 6 ) )

= π · ( - 19 162 -1 · ( - 7 6 ) )

= π · ( - 19 162 + 7 6 )

= π · ( - 19 162 + 189 162 )

= π · ( - 19 162 + 7 6 )

= π · 85 81

= 85 81 π


≈ 3,297

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 und der Geraden y = 3 rotiert im Intervall [0,1] 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 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 -3 = 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +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 ( 3 ( 3x +4 ) 2 +4 ( 3x +4 ) 2 - 3 ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 4 ( 3x +4 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 x

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

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) -3 ] 0 1

= π [ - 16 9 ( 3x +4 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 16 9 ( 31 +4 ) 3 + 16 9 ( 30 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 ( 3 +4 ) 3 + 16 9 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 16 9 7 3 + 16 9 4 3 )

= π · ( - 16 9 ( 1 343 ) + 16 9 ( 1 64 ) )

= π · ( - 16 3087 + 1 36 )

= π · ( - 64 12348 + 343 12348 )

= π · 31 1372

= 31 1372 π


≈ 0,071