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Rotationskörper

Beispiel:

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

= π [ - 25 3 ( 3x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 25 3( 3x +2 ) ] 0 1

= π · ( - 25 3( 3⋅1 +2 ) + 25 3( 3⋅0 +2 ) )

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

= π · ( - 25 3⋅ 5 + 25 3⋅ 2 )

= π · ( - 25 3 ⋅( 1 5 ) + 25 3 ⋅( 1 2 ) )

= π · ( - 5 3 + 25 6 )

= π · ( - 10 6 + 25 6 )

= π · 5 2

= 5 2 π


≈ 7,854

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 6 x 2 und g(x)= 6 ( 2x +4 ) 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 ( 6 x 2 ) 2 ⅆ x - π ∫ 1 3 ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

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

= π ∫ 1 3 ( ( 6 x 2 ) 2 - ( 6 ( 2x +4 ) 2 ) 2 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( 36 x 4 - 36 ( 2x +4 ) 4 ) ⅆ x

= π ∫ 1 3 ( - 36 ( 2x +4 ) 4 + 36 x 4 ) ⅆ x
= π ∫ 1 3 ( -36 ( 2x +4 ) -4 +36 x -4 ) ⅆ x

= π [ 6 ( 2x +4 ) -3 -12 x -3 ] 1 3

= π [ 6 ( 2x +4 ) 3 - 12 x 3 ] 1 3

= π · ( 6 ( 2⋅3 +4 ) 3 - 12 3 3 - ( 6 ( 2⋅1 +4 ) 3 - 12 1 3 ) )

= π · ( 6 ( 6 +4 ) 3 -12⋅( 1 27 ) - ( 6 ( 2 +4 ) 3 -12⋅1 ) )

= π · ( 6 10 3 - 4 9 - ( 6 6 3 -12 ) )

= π · ( 6⋅( 1 1000 ) - 4 9 - ( 6⋅( 1 216 ) -12 ) )

= π · ( 3 500 - 4 9 - ( 1 36 -12 ) )

= π · ( 27 4500 - 2000 4500 - ( 1 36 - 432 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 -1 · ( - 431 36 ) )

= π · ( - 1973 4500 + 431 36 )

= π · 25951 2250

= 25951 2250 π


≈ 36,234

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 3x +1 ) 2 +5 ( 3x +1 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,3] 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 = ( 3x +1 ) 2 +5 ( 3x +1 ) 2 -1 = ( 3x +1 ) 2 +5 ( 3x +1 ) 2 - ( 3x +1 ) 2 ( 3x +1 ) 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 ( ( 3x +1 ) 2 +5 ( 3x +1 ) 2 - ( 3x +1 ) 2 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( ( 3x +1 ) 2 +5 - ( 3x +1 ) 2 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 ( 5 ( 3x +1 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 3 5 2 · 1 ( 3x +1 ) 4 ⅆ x

= π ∫ 0 3 25 ( 3x +1 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 3 25 ( 3x +1 ) -4 ⅆ x

= π [ - 25 9 ( 3x +1 ) -3 ] 0 3

= π [ - 25 9 ( 3x +1 ) 3 ] 0 3

= π · ( - 25 9 ( 3⋅3 +1 ) 3 + 25 9 ( 3⋅0 +1 ) 3 )

= π · ( - 25 9 ( 9 +1 ) 3 + 25 9 ( 0 +1 ) 3 )

= π · ( - 25 9⋅ 10 3 + 25 9⋅ 1 3 )

= π · ( - 25 9 ⋅( 1 1000 ) + 25 9 ⋅1 )

= π · ( - 1 360 + 25 9 )

= π · ( - 1 360 + 1000 360 )

= π · 111 40

= 111 40 π


≈ 8,718