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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 3x +4 soll im Intervall [1,2] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 1 2 ( 3x +4 ) 2 x

= π [ 1 9 ( 3x +4 ) 3 ] 1 2

= π · ( 1 9 ( 32 +4 ) 3 - 1 9 ( 31 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 ( 6 +4 ) 3 - 1 9 ( 3 +4 ) 3 )

= π · ( 1 9 10 3 - 1 9 7 3 )

= π · ( 1 9 1000 - 1 9 343 )

= π · ( 1000 9 - 343 9 )

= π · 73

= 73π


≈ 229,336

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 [1,3] 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 ( 2 x ) 2 x - π 1 3 ( 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 3 ( ( 2 x ) 2 - ( 2 3x +2 ) 2 ) x

= π 1 3 ( 4 x 2 - 4 ( 3x +2 ) 2 ) x

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

= π [ 4 3 ( 3x +2 ) -1 -4 x -1 ] 1 3

= π [ 4 3( 3x +2 ) - 4 x ] 1 3

= π · ( 4 3( 33 +2 ) - 4 3 - ( 4 3( 31 +2 ) - 4 1 ) )

= π · ( 4 3( 9 +2 ) -4( 1 3 ) - ( 4 3( 3 +2 ) -41 ) )

= π · ( 4 3 11 - 4 3 - ( 4 3 5 -4 ) )

= π · ( 4 3 ( 1 11 ) - 4 3 - ( 4 3 ( 1 5 ) -4 ) )

= π · ( 4 33 - 4 3 - ( 4 15 -4 ) )

= π · ( 4 33 - 44 33 - ( 4 15 - 60 15 ) )

= π · ( - 40 33 -1 · ( - 56 15 ) )

= π · ( - 40 33 + 56 15 )

= π · 416 165

= 416 165 π


≈ 7,921

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

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

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

= π 0 1 ( 2 ( 2x +2 ) 2 ) 2 x

= π 0 1 2 2 · 1 ( 2x +2 ) 4 x

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

= π [ - 2 3 ( 2x +2 ) -3 ] 0 1

= π [ - 2 3 ( 2x +2 ) 3 ] 0 1

= π · ( - 2 3 ( 21 +2 ) 3 + 2 3 ( 20 +2 ) 3 )

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

= π · ( - 2 3 4 3 + 2 3 2 3 )

= π · ( - 2 3 ( 1 64 ) + 2 3 ( 1 8 ) )

= π · ( - 1 96 + 1 12 )

= π · ( - 1 96 + 8 96 )

= π · 7 96

= 7 96 π


≈ 0,229