Aufgabenbeispiele von Flächen und Volumen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|3|-2), B(-10|19|-2) und C(1|-4|-2) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

Wir sehen in der Skizze, dass man den Verbindungsvektor zwischen B und C zum Ortsvektor von A addieren muss, um den Ortsvektor von D zu erhalten:

OD = OA + BC = ( 2 3 -2 ) + ( 11 -23 0 ) = ( 13 -20 -2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(13|-20|-2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -10-2 19-3 -2-( - 2 ) ) = ( -12 16 0 ) und AD = BC = ( 1-( - 10 ) -4-19 -2-( - 2 ) ) = ( 11 -23 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 16 0 ) × ( 11 -23 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · 11 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -23 ) - 16 · 11 ) = ( 0+0 0+0 276 -176 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(2|9|3), B(6|-7|-29) und C(11|9|-6).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-2 -7-9 -29-3 ) = ( 4 -16 -32 ) und AC = ( 11-2 9-9 -6-3 ) = ( 9 0 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 -32 ) × ( 9 0 -9 ) = ( -16 · ( -9 ) - ( -32 ) · 0 -32 · 9 - 4 · ( -9 ) 4 · 0 - ( -16 ) · 9 ) = ( 144 +0 -288 +36 0 +144 ) = ( 144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 144 ) | = 144 2 + (-252)2 + 144 2 = 104976 = 324 entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Das gesuchte Dreieck hat also genau den halben Flächeninhalt: A = 1 2 | a x b | = 1 2 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(3|2|-1), B(1|-2|3), C(-3|2|5) und D(-1|6|1) und als Spitze S(7|7|6). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

Das Volumen einer Pyramide berechnet sich als ein Drittel der Grundfläche mal zugehörige Höhe. Wir berechnen also zuerst den Flächeninhalt des Parallelogramms ABCD:

Berechnung der Grundfläche

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-3 -2-2 3-( - 1 ) ) = ( -2 -4 4 ) und AD = BC = ( -3-1 2-( - 2 ) 5-3 ) = ( -4 4 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 -4 4 ) × ( -4 4 2 ) = ( -4 · 2 - 4 · 4 4 · ( -4 ) - ( -2 ) · 2 -2 · 4 - ( -4 ) · ( -4 ) ) = ( -8 -16 -16 +4 -8 -16 ) = ( -24 -12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 -12 -24 ) | = (-24) 2 + (-12)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Um die Höhe des Punktes S auf der Grundfläche zu berechnen, müssen wir den Abstand von S zur Grund-Ebene, in der das Parallelogramm liegt, berechen, weil die Höhe ja immer orthogonal zur Grundfläche sein muss. Dazu müssen wir aber erstmal die Koordinatenebene der Grundfläche durch A, B, C und D aufstellen. Die Parametergleichung der Ebene ist E: x = ( 3 2 -1 ) + r ( -2 -4 4 ) + s ( -4 4 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -2 -4 4 ) × ( -4 4 2 ) = ( -4 · 2 - 4 · 4 4 · ( -4 ) - ( -2 ) · 2 -2 · 4 - ( -4 ) · ( -4 ) ) = ( -8 -16 -16 +4 -8 -16 ) = ( -24 -12 -24 ) = -12⋅ ( 2 1 2 )

Weil der Vektor ( 2 1 2 ) orthogonal zu ( -2 -4 4 ) und ( -4 4 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 2 -1 ) ] ( 2 1 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|2|-1) erhält man
d = 23 + 12 + 2(-1)
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = 6

Die Höhe der Pyramide berechnen wir nun als Abstand von S zu unserer frisch errechneten Koordinatenebene. Dies geschieht mit der Hesse'schen Normalenform:

Wir berechnen den Abstand zwischen Punkt und Ebene mittels der Hesse'schen Normalenform.

d = | 2 7+1 7+2 6-6 | 2 2 + 1 2 + 2 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 36 · 9 = 108

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(3|-3|2), B(12|9|2), C(20|3|2) und als Spitze S(7|-6|5).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

Das Volumen einer Pyramide berechnet sich als ein Drittel der Grundfläche mal zugehörige Höhe. Wir berechnen also zuerst den Flächeninhalt des Dreiecks ABC:

Berechnung der Grundfläche des Dreiecks ABC

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 12-3 9-( - 3 ) 2-2 ) = ( 9 12 0 ) und AC = ( 20-3 3-( - 3 ) 2-2 ) = ( 17 6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 12 0 ) × ( 17 6 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 6 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 ) = ( 0+0 0+0 54 -204 ) = ( 0 0 -150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -150 ) | = 0 2 + 02 + (-150) 2 = 22500 = 150 entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Das gesuchte Dreieck hat also genau den halben Flächeninhalt: A = 1 2 | a x b | = 1 2 ⋅ 150 = 75.

Um die Höhe des Punktes S auf der Grundfläche zu berechnen, müssen wir den Abstand von S zur Grund-Ebene, in der das Dreieck liegt, berechen, weil die Höhe ja immer orthogonal zur Grundfläche sein muss. Dazu müssen wir aber erstmal die Koordinatenebene der Grundfläche durch A, B und C aufstellen. Die Parametergleichung der Ebene ist E: x = ( 3 -3 2 ) + r ( 9 12 0 ) + s ( 17 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht:

Weil beim Vektor ( 9 12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 9 t ) für jedes t orthogonal zu ( 9 12 0 ) , denn ( 9 12 0 ) ( -12 9 t ) =9(-12) + 129 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 17 6 0 ) ( -12 9 t ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -12 9 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 12 0 ) × ( 17 6 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 6 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 ) = ( 0+0 0+0 54 -204 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 9 12 0 ) und ( 17 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 -3 2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|-3|2) erhält man
d = 03 + 0(-3) + 12
also:

+ x 3 = 2

Die Höhe der Pyramide berechnen wir nun als Abstand von S zu unserer frisch errechneten Koordinatenebene. Dies geschieht mit der Hesse'schen Normalenform:

Wir berechnen den Abstand zwischen Punkt und Ebene mittels der Hesse'schen Normalenform.

d = | 0 7+0 ( - 6 )+1 5-2 | 0 2 + 0 2 + 1 2
= | 3 | 1 = 3 1 = 3

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 3.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|4|1), der Punkt C(4|10|-8) und die Gerade g: x = ( 2 4 1 ) +t ( 9 -6 -2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121 hat.

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Da sowohl der Punkt A als auch der Punkt B auf der Geraden g liegt, kann man den Vektor AB einfach als ( 9 t -6 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-2 10-4 -8-1 ) = ( 2 6 -9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 t -6 t -2 t ) × ( 2 6 -9 ) = ( -6 t · ( -9 ) - ( -2 t ) · 6 -2 t · 2 - 9 t · ( -9 ) 9 t · 6 - ( -6 t ) · 2 ) = ( 54 t +12 t -4 t +81 t 54 t +12 t ) = ( 66 t 77 t 66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 66 t 77 t 66 t ) | = 4356 t 2 +5929 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +9 t | 4 -6 t | 1 -2 t ) ergibt
B1(20|-8|-3).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +9 t | 4 -6 t | 1 -2 t ) ergibt
B2(-16|16|5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 + x 2 + x 3 = 3 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P. Berechne das Volumen von P.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

Als erstes müssen wir natürlich die Spurpunkte bestimmen. Dazu setzen wir einfach allgemeine Punkte der Koordinatenachsen S1(x|0|0), S2(0|y|0) und S3(0|0|z) in die Koordinatengleichung x 1 + x 2 + x 3 = 3 ein.

S1: 1 x +1 0 +1 0 = 3 => x=3=3, also S1(3|0|0)
S2: 1 0 +1 y +1 0 = 3 => y=3=3, also S2(0|3|0)
S3: 1 0 +1 0 +1 z = 3 => z=3=3, also S3(0|0|3)

Das Volumen einer Pyramide berechnet man mit der Formel V = 1 3 ⋅G⋅h

Als Grundfläche können wir theoretisch jede der 4 Seiten nehmen. Da ja aber die drei Koordinatenachsen alle zueinander orthogonal sind, bietet sich eine Grundfläche an, die den Ursprung O(0|0|0) beinhaltet:

So gilt beispielsweise im Dreieck OS1S2: G = 1 2 ⋅ 3⋅3 = 4.5, weil das Dreieck OS1S2 rechtwinklig ist (schließlich sind ja die x1-Achse und die x2-Achse orthogonal.)

Und weil ja die x3-Achse orthogonal zur x1-x2-Ebene und damit zu G ist, können wir die Strecke OS3= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 10. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

Da die Ebene E parallel zu F sein soll, können wir bei E den gleichen Normalenvektor wie bei F verwenden. Eine allgemeine Koordinatengleichung E ist somit:

5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Wenn wir nun die Spurpunkte (Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen) als allgemeine Punkte der Koordinatenachsen S1(x|0|0), S2(0|y|0) und S3(0|0|z) in die Koordinatengleichung 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +4 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 0 +4 z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

Den Flächeninhalt eines Dreiecks berechnet man mit der Formel A = 1 2 ⋅g⋅hg. Und weil ja die drei Koordinatenachsen alle zueinander orthogonal sind, ist dieses Dreieck rechtwinklig mit dem rechten Winkel im Ursprung O(0|0|0) und den beiden Katheten OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 10 |⋅40
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-5|0) und S3(0|0|-5). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 20 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

Da die Ebene E parallel zu F sein soll, können wir bei E den gleichen Normalenvektor wie bei F verwenden. Eine allgemeine Koordinatengleichung E ist somit:

2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d

Wenn wir nun die Spurpunkte als allgemeine Punkte der Koordinatenachsen S1(x|0|0), S2(0|y|0) und S3(0|0|z) in die Koordinatengleichung 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +2 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 2 0 +2 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

Das Volumen einer Pyramide berechnet man mit der Formel V = 1 3 ⋅G⋅h

Als Grundfläche können wir theoretisch jede der 4 Seiten nehmen. Da ja aber die drei Koordinatenachsen alle zueinander orthogonal sind, bietet sich eine Grundfläche an, die den Ursprung O(0|0|0) beinhaltet:

So gilt beispielsweise im Dreieck OS1S2: G = 1 2 d 2 d 2 , weil das Dreieck OS1S2 rechtwinklig ist (schließlich sind ja die x1-Achse und die x2-Achse orthogonal.)

Und weil ja die x3-Achse orthogonal zur x1-x2-Ebene und damit zu G ist, können wir die Strecke OS2= d 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 2 d 5 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30

Aber auch E2: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.