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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 4 2x +4 soll im Intervall [0,1] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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

= π [ -8 ( 2x +4 ) -1 ] 0 1

= π [ - 8 2x +4 ] 0 1

= π · ( - 8 21 +4 + 8 20 +4 )

= π · ( - 8 2 +4 + 8 0 +4 )

= π · ( - 8 6 + 8 4 )

= π · ( -8( 1 6 ) +8( 1 4 ) )

= π · ( - 4 3 +2 )

= π · ( - 4 3 + 6 3 )

= π · 2 3

= 2 3 π


≈ 2,094

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

= π 1 2 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 2

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 2

= π · ( 4 3( 32 +2 ) - 4 2 - ( 4 3( 31 +2 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 6 +2 ) -4( 1 2 ) - ( 4 3( 3 +2 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 8 -2 - ( 4 3 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 8 ) -2 - ( 4 3 ( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 1 6 -2 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 1 6 - 12 6 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 11 6 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 11 6 + 56 15 )

= π · 19 10

= 19 10 π


≈ 5,969

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

= π 0 1 ( 2 ( 2x +3 ) 2 +4 -2 ( 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