Rotationskörper: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Friedrich-Schiller-Gymnasium
Wechseln zu: Navigation, Suche
(→‎Wozu braucht man Rotationskörper)
 
(31 dazwischenliegende Versionen von 2 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 3: Zeile 3:
 
Die Achse um welche rotiert wird, bezeichnet man als Rotations- bzw. Figurenachse. Die von der Kurve eingeschlossene Fläche heißt Rotationsfläche. <br />
 
Die Achse um welche rotiert wird, bezeichnet man als Rotations- bzw. Figurenachse. Die von der Kurve eingeschlossene Fläche heißt Rotationsfläche. <br />
 
Die Rotationsachse und die erzeugende Kurve müssen in der gleichen Ebene liegen.  
 
Die Rotationsachse und die erzeugende Kurve müssen in der gleichen Ebene liegen.  
 +
 +
 +
<iframe scrolling="no" title="Animation" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/wp9vh32u/width/640/height/480/border/888888/sfsb/true/smb/false/stb/false/stbh/false/ai/false/asb/false/sri/false/rc/false/ld/false/sdz/true/ctl/false" width="640px" height="480px" style="border:0px;"> </iframe>
 +
 +
 +
Rotationskörper der Funktion <math>\sqrt{x}</math> an der x- und der y-Achse. Diese Animation zeigt den Aufbau eines Rotationskörpers, man muss sich den gezeigten Körper ausgefüllt vorstellen.
  
 
=== Wozu braucht man Rotationskörper ===
 
=== Wozu braucht man Rotationskörper ===
−
Mit Hilfe von Rotationskörpern kann man das Volumen eines runden Körpers bestimmen, beispielsweise von einem Glas.
+
Mit Hilfe von Rotationskörpern kann man das Volumen eines runden Körpers bestimmen.
  
 
=== Herleitung des Volumens von Rotationskörpern um die x-Achse ===
 
=== Herleitung des Volumens von Rotationskörpern um die x-Achse ===
Zeile 14: Zeile 20:
  
 
=== Rotationskörper um die x - Achse ===
 
=== Rotationskörper um die x - Achse ===
−
 
+
[[Datei:Rotationskörper der Funktion f(x) = 1.png|thumb|Bild|320x240px|rahmenlos|Rotationskörper der Funktion f(x) = 1]]
 +
Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion <math>f(x)=1</math> von 0 bis 5 <br />
 
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die x - Achse lässt sich mithilfe der Formel <br />
 
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die x - Achse lässt sich mithilfe der Formel <br />
 
<math>v=\pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx</math> bestimmen. <br />
 
<math>v=\pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx</math> bestimmen. <br />
−
Als Beispiel soll hier die Funktion <math>f(x)=x^2</math> verwendet werden (siehe Abbildung).
+
Als Beispiel soll hier die Funktion <math>f(x)=1</math> verwendet werden (siehe Abbildung).
  
 
==== Beispielrechnung ====
 
==== Beispielrechnung ====
−
[[Datei:Rotationskörper der Funktion f(x)=1 um die X-Achse.png|thumb|Ein Bild einer Funktion |320x240px|rahmenlos|rechts|Rotationskörper der Funktion f(x)=1 um die X-Achse]]
 
−
Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion <math>f(x)=x^2</math> von 0 bis 4 <br />
 
 
:<math>V = \pi \int_{0}^{5}(1)^2dx</math>
 
:<math>V = \pi \int_{0}^{5}(1)^2dx</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
:<math>V = \pi \int_{0}^{5}x^(y)dx</math>
+
:<math>V = \pi \int_{0}^{5}1dx</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
Zeile 37: Zeile 42:
  
 
=== Rotationskörper um die y - Achse ===
 
=== Rotationskörper um die y - Achse ===
−
[[Datei:Rotationskörper y y².png |thumb|Bild|320x240px|rahmenlos|Rotationskörper der Funktion f(x)=x² um die y-Achse]]
+
[[Datei:Rotationskörper von der y-Achse zu der x-Achse.png|thumb|Bild|320x240px|rahmenlos|Rotationskörper von der y-Achse zu der x-Achse]]
 
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die y - Achse lässt sich mithilfe der Formel <br />
 
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die y - Achse lässt sich mithilfe der Formel <br />
−
<math>V=\pi\int_{a}^{b}(f(y))^2dx</math> bestimmen
+
<math>V=\pi\int_{a}^{b}(g(y))^2dy</math> bestimmen <br />
 +
Hier wird die Funktion um die y-Achse rotiert.
 +
Um das Volumen eines solchen Rotationskörpers zu bestimmen, wird dieser mithilfe der Umkehrfunktion so "gedreht", dass dieser um die x-Achse rotiert, dann kann das Volumen wie zuvor bei der <br>
 +
Rotation um die x-Achse beschrieben berechnet werden
 
==== Beispielrechnung ====
 
==== Beispielrechnung ====
−
Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion <math>f(x)=x^2</math> von 0 bis 5 <br />
+
Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion <math>g(x)=x^2</math> im Intervall von 0 bis 5. <br />
 +
Hierbei wird die gegebene Funktion um die y-Achse rotiert.<br/>
 +
===== Bildung der Umkehrfunktion =====
 +
<math>g(x)=y=x^2</math> <br />
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
<math>V=\pi \int_{0}^{5}(x^2)^2dx</math>
+
<math>g(y)=x=\sqrt{y}</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
<math>V=\pi \int_{0}^{5}x^4dx</math>
+
===== Berechnung des Volumens =====
 +
<math>V=\pi \int_{0}^{25}(\sqrt{y})^2dy</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
<math>V=\pi \Bigg[\frac{x^5}{5}\Bigg]_{0}^{5}</math>
+
<math>V=\pi \int_{0}^{25}(y)dy</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
<math>V=\pi \Bigg(\frac{3125}{5}-0\Bigg)</math>
+
<math>V=\pi \Bigg[\frac{1}{2}y^2\Bigg]_{0}^{25}</math>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
 
<p></p>
−
<math>V \approx 1963,495</math>
+
<math>V=\pi \Bigg(\frac{625}{2}-0\Bigg)</math>
 +
<p></p>
 +
<p></p>
 +
<math>V \approx 981,75</math>
 +
 
 +
 
 +
==== Interaktive Volumensberechnung mit Rotationskörpern ====
 +
In folgender Anwendung kann nach der Eingabe einer Funktion sowie der oberen und unteren Grenze, das Volumen
 +
sowohl bei der Rotation um die X- als auch um die Y- Achse bestimmt werden.
 +
<code>
 +
<iframe scrolling="no" title="ASDF" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/fp2jaaeg/width/858/height/476/border/888888/sfsb/true/smb/false/stb/false/stbh/false/ai/false/asb/false/sri/false/rc/false/ld/false/sdz/false/ctl/false" width="858px" height="476px" style="border:0px;"> </iframe>
 +
</code>

Aktuelle Version vom 1. Dezember 2018, 14:49 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Rotationskörper

Rotationskörper werden Körper genannt, welche durch Rotation einer erzeugenden Kurve um eine Achse entstehen.
Die Achse um welche rotiert wird, bezeichnet man als Rotations- bzw. Figurenachse. Die von der Kurve eingeschlossene Fläche heißt Rotationsfläche.
Die Rotationsachse und die erzeugende Kurve müssen in der gleichen Ebene liegen.


[ www.geogebra.org is not an authorized iframe site ]


Rotationskörper der Funktion \sqrt{x} an der x- und der y-Achse. Diese Animation zeigt den Aufbau eines Rotationskörpers, man muss sich den gezeigten Körper ausgefüllt vorstellen.

Wozu braucht man Rotationskörper

Mit Hilfe von Rotationskörpern kann man das Volumen eines runden Körpers bestimmen.

Herleitung des Volumens von Rotationskörpern um die x-Achse

Ein Rotationskörper entsteht aus der Rotation einer Rotationsfläche um eine Rotationsachse. Die Rotationsfläche entspricht hierbei der Fläche unter dem Graphen der erzeugenden Funktion f im Intervall [a;b]. Ähnlich wie auch bei der Herleitung der Fläche unter Kurven (Integrale) nähern wir diese Fläche mit Rechtecken der Breite h an. Der Grenzwert dieser Fläche für immer schmalere Rechtecke, d.h. h→0 entspricht dem Integral \int_{a}^{b}f(x)dx.
Bei Rotaionskörpern wird ähnlich vorgegangen. Statt Rechtecken mit Breite h verwendet man Zylinder mit Höhe h.
Für das Volumen eines Zylinders gilt: V = \pi r^2 \cdot h. Der Radius entspricht hierbei dem Funktionswert an der entsprechende Stelle. Damit gilt für das Volumen der Kreisscheibe an der Stelle x_{i} : V_{i}=\pi(f(x_{i}))^2\cdot h.
Auch hier erhält man für den Grenzfall h→0 den exakten Wert, in diesem Fall für das Volumen. Für dieses gilt:

V = \int_{a}^{b}\pi(f(x))^2dx = \pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx .

Rotationskörper um die x - Achse

Rotationskörper der Funktion f(x) = 1

Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion f(x)=1 von 0 bis 5
Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die x - Achse lässt sich mithilfe der Formel
v=\pi\int_{a}^{b}(f(x))^2dx bestimmen.
Als Beispiel soll hier die Funktion f(x)=1 verwendet werden (siehe Abbildung).

Beispielrechnung

V = \pi \int_{0}^{5}(1)^2dx

V = \pi \int_{0}^{5}1dx

V = \pi \big[x\big]_{0}^{5}

V = 5 \pi

V \approx 15,708

Rotationskörper um die y - Achse

Rotationskörper von der y-Achse zu der x-Achse

Der Flächeninhalt eines Rotationskörpers um die y - Achse lässt sich mithilfe der Formel
V=\pi\int_{a}^{b}(g(y))^2dy bestimmen
Hier wird die Funktion um die y-Achse rotiert. Um das Volumen eines solchen Rotationskörpers zu bestimmen, wird dieser mithilfe der Umkehrfunktion so "gedreht", dass dieser um die x-Achse rotiert, dann kann das Volumen wie zuvor bei der
Rotation um die x-Achse beschrieben berechnet werden

Beispielrechnung

Zur Berechnung des Volumens des Rotationskörpers der Funktion g(x)=x^2 im Intervall von 0 bis 5.
Hierbei wird die gegebene Funktion um die y-Achse rotiert.

Bildung der Umkehrfunktion

g(x)=y=x^2

g(y)=x=\sqrt{y}

Berechnung des Volumens

V=\pi \int_{0}^{25}(\sqrt{y})^2dy

V=\pi \int_{0}^{25}(y)dy

V=\pi \Bigg[\frac{1}{2}y^2\Bigg]_{0}^{25}

V=\pi \Bigg(\frac{625}{2}-0\Bigg)

V \approx 981,75


Interaktive Volumensberechnung mit Rotationskörpern

In folgender Anwendung kann nach der Eingabe einer Funktion sowie der oberen und unteren Grenze, das Volumen sowohl bei der Rotation um die X- als auch um die Y- Achse bestimmt werden. [ www.geogebra.org is not an authorized iframe site ]

Von „http://fsg.zum.de/index.php?title=Rotationskörper&oldid=1887“