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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +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 ( 5 x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +3 ) 2 x
= π 0 1 25 ( x +3 ) -2 x

= π [ -25 ( x +3 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 x +3 ] 0 1

= π · ( - 25 1 +3 + 25 0 +3 )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( -25( 1 4 ) +25( 1 3 ) )

= π · ( - 25 4 + 25 3 )

= π · ( - 75 12 + 100 12 )

= π · 25 12

= 25 12 π


≈ 6,545

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 5 x und g(x)= 5 2x +4 schließen eine Fläche ein. Diese Fläche rotiert im Intervall [1,4] 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 4 ( 5 x ) 2 x - π 1 4 ( 5 2x +4 ) 2 x

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

= π 1 4 ( ( 5 x ) 2 - ( 5 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( 25 x 2 - 25 ( 2x +4 ) 2 ) x

= π 1 4 ( - 25 ( 2x +4 ) 2 + 25 x 2 ) x
= π 1 4 ( -25 ( 2x +4 ) -2 +25 x -2 ) x

= π [ 25 2 ( 2x +4 ) -1 -25 x -1 ] 1 4

= π [ 25 2( 2x +4 ) - 25 x ] 1 4

= π · ( 25 2( 24 +4 ) - 25 4 - ( 25 2( 21 +4 ) - 25 1 ) )

= π · ( 25 2( 8 +4 ) -25( 1 4 ) - ( 25 2( 2 +4 ) -251 ) )

= π · ( 25 2 12 - 25 4 - ( 25 2 6 -25 ) )

= π · ( 25 2 ( 1 12 ) - 25 4 - ( 25 2 ( 1 6 ) -25 ) )

= π · ( 25 24 - 25 4 - ( 25 12 -25 ) )

= π · ( 25 24 - 150 24 - ( 25 12 - 300 12 ) )

= π · ( - 125 24 -1 · ( - 275 12 ) )

= π · ( - 125 24 + 275 12 )

= π · 425 24

= 425 24 π


≈ 55,632

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 1 ( 4 ( 2x +3 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 2x +3 ) 4 x

= π 0 1 16 ( 2x +3 ) 4 x
= π 0 1 16 ( 2x +3 ) -4 x

= π [ - 8 3 ( 2x +3 ) -3 ] 0 1

= π [ - 8 3 ( 2x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 8 3 ( 21 +3 ) 3 + 8 3 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( - 8 3 ( 2 +3 ) 3 + 8 3 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( - 8 3 5 3 + 8 3 3 3 )

= π · ( - 8 3 ( 1 125 ) + 8 3 ( 1 27 ) )

= π · ( - 8 375 + 8 81 )

= π · ( - 216 10125 + 1000 10125 )

= π · 784 10125

= 784 10125 π


≈ 0,243