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Rotationskörper

Beispiel:

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

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V = π ∫ 1 2 ( 2x +2 ) 2 ⅆ x

= π [ 1 6 ( 2x +2 ) 3 ] 1 2

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

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

= π · ( 1 6 ⋅ 6 3 - 1 6 ⋅ 4 3 )

= π · ( 1 6 ⋅216 - 1 6 ⋅64 )

= π · ( 36 - 32 3 )

= π · ( 108 3 - 32 3 )

= π · 76 3

= 76 3 π


≈ 79,587

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π [ 50 3 ( 2x +3 ) -3 - 100 3 x -3 ] 1 3

= π [ 50 3 ( 2x +3 ) 3 - 100 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 50 3 ( 2⋅3 +3 ) 3 - 100 3⋅ 3 3 - ( 50 3 ( 2⋅1 +3 ) 3 - 100 3⋅ 1 3 ) )

= π · ( 50 3 ( 6 +3 ) 3 - 100 3 ⋅( 1 27 ) - ( 50 3 ( 2 +3 ) 3 - 100 3 ⋅1 ) )

= π · ( 50 3⋅ 9 3 - 100 81 - ( 50 3⋅ 5 3 - 100 3 ) )

= π · ( 50 3 ⋅( 1 729 ) - 100 81 - ( 50 3 ⋅( 1 125 ) - 100 3 ) )

= π · ( 50 2187 - 100 81 - ( 2 15 - 100 3 ) )

= π · ( 50 2187 - 2700 2187 - ( 2 15 - 500 15 ) )

= π · ( - 2650 2187 -1 · ( - 166 5 ) )

= π · ( - 2650 2187 + 166 5 )

= π · 349792 10935

= 349792 10935 π


≈ 100,494

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,2] 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 +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 -1 = ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 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 2 ( ( 3x +4 ) 2 +3 ( 3x +4 ) 2 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( ( 3x +4 ) 2 +3 - ( 3x +4 ) 2 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 ( 3 ( 3x +4 ) 2 ) 2 ⅆ x

= π ∫ 0 2 3 2 · 1 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x

= π ∫ 0 2 9 ( 3x +4 ) 4 ⅆ x
= π ∫ 0 2 9 ( 3x +4 ) -4 ⅆ x

= π [ - ( 3x +4 ) -3 ] 0 2

= π [ - 1 ( 3x +4 ) 3 ] 0 2

= π · ( - 1 ( 3⋅2 +4 ) 3 + 1 ( 3⋅0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1 ( 6 +4 ) 3 + 1 ( 0 +4 ) 3 )

= π · ( - 1 10 3 + 1 4 3 )

= π · ( -( 1 1000 ) + 1 64 )

= π · ( - 1 1000 + 1 64 )

= π · ( - 8 8000 + 125 8000 )

= π · 117 8000

= 117 8000 π


≈ 0,046