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Rotationskörper

Beispiel:

Die Fläche unter dem Graph von f mit f(x)= 5 x +1 soll im Intervall [0,3] um die x-Achse rotieren.
Berechne das Volumen des entstehenden Drehkörpers.

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V = π 0 3 ( 5 x +1 ) 2 x
= π 0 3 25 ( x +1 ) 2 x
= π 0 3 25 ( x +1 ) -2 x

= π [ -25 ( x +1 ) -1 ] 0 3

= π [ - 25 x +1 ] 0 3

= π · ( - 25 3 +1 + 25 0 +1 )

= π · ( - 25 4 + 25 1 )

= π · ( -25( 1 4 ) +251 )

= π · ( - 25 4 +25 )

= π · ( - 25 4 + 100 4 )

= π · 75 4

= 75 4 π


≈ 58,905

Rotationskörper zwischen zwei Kurven

Beispiel:

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

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

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

= π 1 3 ( 9 x 4 - 9 ( 2x +1 ) 4 ) x

= π 1 3 ( - 9 ( 2x +1 ) 4 + 9 x 4 ) x
= π 1 3 ( -9 ( 2x +1 ) -4 +9 x -4 ) x

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) -3 -3 x -3 ] 1 3

= π [ 3 2 ( 2x +1 ) 3 - 3 x 3 ] 1 3

= π · ( 3 2 ( 23 +1 ) 3 - 3 3 3 - ( 3 2 ( 21 +1 ) 3 - 3 1 3 ) )

= π · ( 3 2 ( 6 +1 ) 3 -3( 1 27 ) - ( 3 2 ( 2 +1 ) 3 -31 ) )

= π · ( 3 2 7 3 - 1 9 - ( 3 2 3 3 -3 ) )

= π · ( 3 2 ( 1 343 ) - 1 9 - ( 3 2 ( 1 27 ) -3 ) )

= π · ( 3 686 - 1 9 - ( 1 18 -3 ) )

= π · ( 27 6174 - 686 6174 - ( 1 18 - 54 18 ) )

= π · ( - 659 6174 -1 · ( - 53 18 ) )

= π · ( - 659 6174 + 53 18 )

= π · 2920 1029

= 2920 1029 π


≈ 8,915

Rotationskörper um andere Achse

Beispiel:

Die Fläche zwischen dem Graph von f mit f(x)= 2x +6 2x +2 und der Geraden y = 1 rotiert im Intervall [0,1] 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 = 2x +6 2x +2 -1 = 2x +6 2x +2 - 2x +2 2x +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 ( 2x +6 2x +2 - 2x +2 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 2x +6 -2x -2 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 ( 4 2x +2 ) 2 x

= π 0 1 4 2 · 1 ( 2x +2 ) 2 x

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

= π [ -8 ( 2x +2 ) -1 ] 0 1

= π [ - 8 2x +2 ] 0 1

= π · ( - 8 21 +2 + 8 20 +2 )

= π · ( - 8 2 +2 + 8 0 +2 )

= π · ( - 8 4 + 8 2 )

= π · ( -8( 1 4 ) +8( 1 2 ) )

= π · ( -2 +4 )

= π · 2

= 2π


≈ 6,283