Vom Graphen zum Drehkörper
Wie in 1.1.3 wird ein schwieriges Maß in einfache Stücke zerlegt — diesmal nicht in Rechtecke, sondern in Scheiben.
- Rotation:die Fläche zwischen dem Graphen von \(f\) und der \(x\)-Achse über \([a;b]\) dreht sich einmal um die \(x\)-Achse.
- Querschnitt:an jeder Stelle \(x\) ein Kreis mit Radius \(|f(x)|\) und Flächeninhalt \(\pi\cdot f(x)^2\).
- Scheiben:\([a;b]\) in \(n\) Streifen der Breite \(\Delta x=\tfrac{b-a}{n}\) teilen — jeder Streifen wird zu einem flachen Zylinder.
- Scheibenvolumen:\(\pi\cdot f(x_i)^2\cdot\Delta x\) — Grundfläche mal Höhe, \(x_i\) am linken Rand der Scheibe.
- Grenzwert:die Summe aller Scheiben ist eine Produktsumme, für \(n\to\infty\) wird sie zum Integral.
Drehe die Fläche mit dem Regler „Drehwinkel“ oder mit ▶ einmal um die \(x\)-Achse. Zerlege den Körper dann mit dem Regler „Scheiben“ und beobachte, wie sich die Scheibensumme dem Volumen nähert.
Halte fest: Jede Scheibe ist ein Zylinder mit dem Volumen \(\pi\cdot f(x_i)^2\cdot\Delta x\) — ihre Summe wird für immer dünnere Scheiben zum Integral \(\pi\displaystyle\int_a^b f(x)^2\,\mathrm dx\).
Herleitung:
Rotationsvolumen: \(V=\pi\displaystyle\int_a^b \big(f(x)\big)^2\,\mathrm dx\)
Volumen berechnen
Gerechnet wird mit dem Hauptsatz aus 1.2.5 — nur mit \(f(x)^2\) statt \(f(x)\).
- Schritt 1:\(f(x)^2\) bilden und vereinfachen — Klammern ausmultiplizieren.
- Schritt 2:Stammfunktion bilden, Grenzen einsetzen, mit \(\pi\) multiplizieren.
- Probe:\(f(x)=r\) liefert den Zylinder \(\pi r^2h\), \(f(x)=\tfrac rh\,x\) den Kegel \(\tfrac13\pi r^2h\).
- Hohlkörper:dreht sich die Fläche zwischen \(f\) und \(g\) mit \(f(x)\ge g(x)\ge0\), fehlt innen der Körper von \(g\).
Rechenweg:
Hohlkörper: \(V=\pi\displaystyle\int_a^b\Big(\big(f(x)\big)^2-\big(g(x)\big)^2\Big)\,\mathrm dx\) für \(f(x)\ge g(x)\ge0\)
Allgemeine Hinweise
Erst quadrieren
\((x+1)^2=x^2+2x+1\), nicht \(x^2+1\). Und keine Stammfunktion von \(f\) quadrieren — integriert wird \(f(x)^2\).
f² − g², nicht (f − g)²
Beim Hohlkörper wird der innere Körper abgezogen. \(\big(f-g\big)^2\) wäre ein ganz anderer, zu kleiner Körper.
Rechner
fx-CG50: RUN-MAT, OPTN → F4 (CALC) → F4 (∫dx) und \(\pi\cdot f(x)^2\) eintragen. TI-Nspire CAS: menu → Analysis → Integral, dann \(\pi\cdot(\sqrt x)^2\) mit Grenzen 0 und 4 liefert \(8\pi\).
