| Volumen durch Schnitte | |
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| Kreisring |
Lektion
Die Theorie — Volumen durch Querschnitte
Besitzt der Schnitt eines Körpers bei x für a ≤ x ≤ b den Flächeninhalt A(x), so beträgt sein Volumen V = ∫ₐᵇ A(x) dx. Rotiert eine Fläche um eine Achse, entstehen Kreisscheiben mit A = πR² oder Kreisringe mit A = π(R² − r²), wobei R und r die Abstände zur Rotationsachse sind.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
A(x)- Flächeninhalt des Schnitts bei x senkrecht zur Achse
R, r- Außen- und Innenradius eines Kreisrings, gemessen ab der Rotationsachse
Woher die Formel kommt
- In Scheiben schneiden und aufsummieren. Eine dünne Scheibe der Dicke Δx hat näherungsweise das Volumen A(x)Δx. Summierst du diese Scheiben auf und lässt Δx gegen null gehen, wird aus der Summe das Integral.
- Scheiben und Kreisringe. Rotiert eine Fläche um eine Achse, ist jeder Schnitt eine Kreisscheibe oder eine Scheibe mit Loch: Ziehe die Fläche des Lochs ab, niemals seinen Radius.
Aufgaben vollständig gelöst
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Kreisscheibe um die x-Achse 1 Schritte
Bestimme das Volumen, wenn die Fläche unter y = √x auf [0, 4] um die x-Achse rotiert.
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Jeder Schnitt ist eine Kreisscheibe mit Radius √x:
Antwort
8π ≈ 25,1327.
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Die Kegelformel über Kreisscheiben 2 Schritte
Zeige, dass ein Kegel mit Radius r und Höhe h das Volumen πr²h/3 besitzt.
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Lege den Kegel mit der Spitze bei 0 entlang der x-Achse: Bei x beträgt der Radius rx/h.
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Integriere die Kreisflächen:
Antwort
πr²h/3. Für r = 1 und h = 3 zeigt die Seite 3,1416 an, also genau π.
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Ein Kreisring 1 Schritte
Die Fläche zwischen y = x und y = x² auf [0, 1] rotiert um die x-Achse. Bestimme das Volumen.
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Außenradius x, Innenradius x²:
Antwort
2π/15 ≈ 0,4189. Das Integral π∫(x − x²)² dx ergibt 0,1047 – genau die Warnung im Abschnitt über Kreisringe.
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Kreisring um eine andere Gerade 2 Schritte
Die Fläche unter y = x² auf [0, 1] rotiert um die Gerade y = −1. Bestimme das Volumen.
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Miss die Radien ab y = −1: Der Außenrand liegt bei x² + 1, das Loch bei 1 (der x-Achse):
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Ausmultiplizieren und integrieren:
Antwort
13π/15 ≈ 2,7227. Vergisst du, die Radien um 1 zu verschieben, erhältst du das Scheibenvolumen um die x-Achse, π/5 – und damit einen völlig anderen Körper.
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Quadratische Querschnitte 1 Schritte
Die Grundfläche eines Körpers ist die Fläche unter y = √x auf [0, 4]. Jeder Querschnitt senkrecht zur x-Achse ist ein Quadrat. Bestimme das Volumen.
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Das Quadrat bei x hat die Seitenlänge √x:
Antwort
8. Keine Rotation und kein π: Allein die Form des Schnitts bestimmt A(x), mehr braucht es nicht.
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Halbkreisförmige Querschnitte 1 Schritte
Die Grundfläche eines Körpers ist die Kreisscheibe x² + y² ≤ 1. Die Querschnitte senkrecht zur x-Achse sind Halbkreise über den Sehnen. Bestimme das Volumen.
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Die Sehne bei x hat die Länge 2√(1 − x²), der Halbkreis also den Radius √(1 − x²):
Antwort
2π/3 ≈ 2,0944. Genau die Hälfte des Volumens der Einheitskugel, da hier Halbkreise statt voller Kreise stehen.
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Die Kugel 1 Schritte
Zeige, dass eine Kugel mit Radius r das Volumen 4πr³/3 besitzt.
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Rotiert der Halbkreis y = √(r² − x²) um die x-Achse, besitzt die Kreisscheibe bei x den Radius √(r² − x²).
Antwort
4πr³/3. Archimedes fand diesen Wert als zwei Drittel des umschriebenen Zylinders mit 2πr³.
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Lernpfad
Anwendungen der Integralrechnung
Quellen (4)
- The method as the page computes it: the slicing method, V = ∫ₐᵇ A(x) dx, derived from Riemann sums, the disk method (equation 6.3) and the washer method (equation 6.5, π[(f(x))² − (g(x))²]): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.2, “Determining Volumes by Slicing”.
- Insight block 1: the cone as one third of the cylinder, first stated by Democritus, the proof attributed to Eudoxus by Archimedes in On the Sphere and Cylinder: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Eudoxus of Cnidus”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated April 1999).
- Insight block 3: Cavalieri's principle in his Geometria indivisibilibus continuorum nova quadam ratione promota (1635): J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Bonaventura Francesco Cavalieri”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated July 2014).
- Insight block 3: Zu Geng's principle, “a generalisation of what is often called Cavalieri's principle”; Zu Geng born about 450, died about 520: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Zu Geng”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated December 2003).