Volumen von Rotationsk¨ orpern
Das Volumen V des durch Rotation des Funktionsgraphen r = f (x) ≥ 0, a ≤ x ≤ b, um die x-Achse erzeugten K¨ orpers l¨ asst sich durch Integration uber die kreisf¨ ¨ ormigen Querschnitte berechnen:
V = π Z b
a
f (x) 2 dx .
a x b
h(r) c = f (a)
d = f(b) r = f(x)
y = f(x)
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Bei monotoner Radiusfunktion kann man alternativ ¨ uber die Zylinderm¨ antel integrieren:
V = πc 2 (b − a) + 2π Z d
c
rh(r) dr ,
wobei c bzw. d der minimale bzw. maximale Radius r und h(r) die H¨ ohe
des in dem K¨ orper enthaltenen Zylindermantels mit Radius r sind.
Beweis
(i) erste Formel:
a x b
h(r) c = f (a)
d = f (b)
r = f (x)
y = f (x)
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Partition ∆ mit Intervallen [x i−1 , x i ], i = 1 . . . n
Einschluss des Volumens durch einen Zylinder mit minimalem Radius f (ξ i ) und einem Zylinder mit maximalem Radius f (η i )
Absch¨ atzung f¨ ur das Gesamtvolumen
π
n
X
i=1
f (ξ i ) 2 ∆x i ≤ V ≤ π
n
X
i =1
f (η i ) 2 ∆x i
mit ∆x i = x i − x i−1
Konvergenz der beiden Riemann-Summen = ⇒ V = π
Z b a
f (x) 2 dx
(ii) zweite Formel (monoton wachsendes f ):
a x b
h(r) =b−x
c=f(a) d=f(b)
r=f(x)
y=f(x)
Umformung der behaupteten Formel durch Substitution
r = f (x) ⇔ x = f −1 (r ), dr = f 0 (x) dx
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2π Z
c = f (a) d=f (b) h(r)r dr = π Z b
a
(b − x)
| {z }
u
2f (x)f 0 (x)
| {z }
v
0dx
= π
(b − x)f (x) 2 b a + π
Z b a
f (x) 2 dx
= − π(b − a)c 2
| {z }
innerer Zylinder
+π Z b
a
f (x) 2 dx
= ⇒ Aquivalenz zur ersten Formel ¨
(iii) analog: monoton fallendes f
Beispiel
Volumen eines Paraboloids, erzeugt durch Rotation der Kurve r = √
x um die x- Achse
(i) horizontale Integration ¨ uber Kreisscheiben (Radius f (x)):
π Z a
0
( √ x
|{z}
f (x)
) 2 dx = π x 2
2 a
0
= 1 2 πa 2
(ii) vertikale Integration ¨ uber Zylinderm¨ antel (H¨ ohe h(r )):
2π Z
√ a
0
r (a − r 2 )
| {z }
h(r )
dr = 2π ar 2
2 − r 4 4
√ a
0
= 1 2 πa 2
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Beispiel
Volumen eines Torus, erzeugt durch Rotation einer Kreisscheibe mit Radius r um eine Achse im Abstand R vom Mittelpunkt
−4 −2 0 2 4
−4
−2 0 2
−24 0 2
Differenz zweier Rotationsk¨ orper (π R
(r + 2 − r − 2 ))
V = π
Z r
−r
R + p
r 2 − x 2 2
dx − π Z r
−r
R − p
r 2 − x 2 2
dx
= 4π Z r
−r
R p
r 2 − x 2 dx
Substitution x = r sin ϕ, dx = r cos ϕ dϕ
Beispiel
Volumen einer Kugel mit Radius R mit ausgestanztem Zylinder um
die vertikale Achse mit Radius r
Rx h(x)
r R
Integration ¨ uber Zylinderm¨ antel mit Radius x, r ≤ x ≤ R:
V = 2π Z R
r
xh(x) dr, h(x) = 2 p
R 2 − x 2 R = 5, r = 3
V = 2π Z 5
3
2x p
25 − x 2 dx = 2π
− 2
3 25 − x 2 3/2 5 3
= 4
3 π(25 − 9) 3/2 = 256 3 π
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