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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 2x +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 ( 2x +3 ) 2 x

= π [ 1 6 ( 2x +3 ) 3 ] 0 1

= π · ( 1 6 ( 21 +3 ) 3 - 1 6 ( 20 +3 ) 3 )

= π · ( 1 6 ( 2 +3 ) 3 - 1 6 ( 0 +3 ) 3 )

= π · ( 1 6 5 3 - 1 6 3 3 )

= π · ( 1 6 125 - 1 6 27 )

= π · ( 125 6 - 9 2 )

= π · ( 125 6 - 27 6 )

= π · 49 3

= 49 3 π


≈ 51,313

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

Die Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= 10 x 2 und g(x)= 10 ( 3x +2 ) 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 ( 10 x 2 ) 2 x - π 1 3 ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 x

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

= π 1 3 ( ( 10 x 2 ) 2 - ( 10 ( 3x +2 ) 2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 100 x 4 - 100 ( 3x +2 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 100 ( 3x +2 ) 4 + 100 x 4 ) x
= π 1 3 ( -100 ( 3x +2 ) -4 +100 x -4 ) x

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 100 9 ( 3x +2 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 100 9 ( 33 +2 ) 3 - 100 3 3 3 - ( 100 9 ( 31 +2 ) 3 - 100 3 1 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 9 +2 ) 3 - 100 3 ( 1 27 ) - ( 100 9 ( 3 +2 ) 3 - 100 3 1 ) )

= π · ( 100 9 11 3 - 100 81 - ( 100 9 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 100 9 ( 1 1331 ) - 100 81 - ( 100 9 ( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 100 11979 - 100 81 - ( 4 45 - 100 3 ) )

= π · ( 900 107811 - 133100 107811 - ( 4 45 - 1500 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 -1 · ( - 1496 45 ) )

= π · ( - 132200 107811 + 1496 45 )

= π · 17259584 539055

= 17259584 539055 π


≈ 100,588

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2 ( x +1 ) 2 +2 ( x +1 ) 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 ( x +1 ) 2 +2 ( x +1 ) 2 -2 = 2 ( x +1 ) 2 +2 ( x +1 ) 2 - 2 ( x +1 ) 2 ( x +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 1 ( 2 ( x +1 ) 2 +2 ( x +1 ) 2 - 2 ( x +1 ) 2 ( x +1 ) 2 ) 2 x

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

= π 0 1 ( 2 ( x +1 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( x +1 ) 4 x

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

= π [ - 4 3 ( x +1 ) -3 ] 0 1

= π [ - 4 3 ( x +1 ) 3 ] 0 1

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

= π · ( - 4 3 2 3 + 4 3 1 3 )

= π · ( - 4 3 ( 1 8 ) + 4 3 1 )

= π · ( - 1 6 + 4 3 )

= π · ( - 1 6 + 8 6 )

= π · 7 6

= 7 6 π


≈ 3,665