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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ - 25 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 2

= π [ - 25 3( 3x +2 ) ] 0 2

= π · ( - 25 3( 32 +2 ) + 25 3( 30 +2 ) )

= π · ( - 25 3( 6 +2 ) + 25 3( 0 +2 ) )

= π · ( - 25 3 8 + 25 3 2 )

= π · ( - 25 3 ( 1 8 ) + 25 3 ( 1 2 ) )

= π · ( - 25 24 + 25 6 )

= π · ( - 25 24 + 100 24 )

= π · 25 8

= 25 8 π


≈ 9,817

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 4 x 2 und g(x)= 4 ( x +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 ( 4 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 4 ( 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 3 ( ( 4 x 2 ) 2 - ( 4 ( x +1 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 16 x 4 - 16 ( x +1 ) 4 ) x

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

= π [ 16 3 ( x +1 ) -3 - 16 3 x -3 ] 1 3

= π [ 16 3 ( x +1 ) 3 - 16 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 16 3 ( 3 +1 ) 3 - 16 3 3 3 - ( 16 3 ( 1 +1 ) 3 - 16 3 1 3 ) )

= π · ( 16 3 4 3 - 16 3 ( 1 27 ) - ( 16 3 2 3 - 16 3 1 ) )

= π · ( 16 3 ( 1 64 ) - 16 81 - ( 16 3 ( 1 8 ) - 16 3 ) )

= π · ( 1 12 - 16 81 - ( 2 3 - 16 3 ) )

= π · ( 27 324 - 64 324 -1 · ( - 14 3 ) )

= π · ( - 37 324 + 14 3 )

= π · ( - 37 324 + 1512 324 )

= π · 1475 324

= 1475 324 π


≈ 14,302

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 4 e 0,6x -4 e 0,3x +1 ) x

= π [ 20 3 e 0,6x - 40 3 e 0,3x + x ] 0 1

= π · ( 20 3 e 0,61 - 40 3 e 0,31 +1 - ( 20 3 e 0,60 - 40 3 e 0,30 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 +1 - ( 20 3 e 0 - 40 3 e 0 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 +1 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 +1 - ( 20 3 - 40 3 +0) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 +1 -1 · ( - 20 3 ) )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 +1 + 20 3 )

= π · ( 20 3 e 0,6 - 40 3 e 0,3 + 23 3 )


≈ 5,705