Aufgabenbeispiele von Flächen und Volumen

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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(29|-4|-19), B(-7|4|5) und C(0|11|-7) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

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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 = ( 29 -4 -19 ) + ( 7 7 -12 ) = ( 36 3 -31 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(36|3|-31).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -7-29 4-( - 4 ) 5-( - 19 ) ) = ( -36 8 24 ) und AD = BC = ( 0-( - 7 ) 11-4 -7-5 ) = ( 7 7 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 8 24 ) × ( 7 7 -12 ) = ( 8 · ( -12 ) - 24 · 7 24 · 7 - ( -36 ) · ( -12 ) -36 · 7 - 8 · 7 ) = ( -96 -168 168 -432 -252 -56 ) = ( -264 -264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 -308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + (-308) 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(6|-6|-19), B(-2|6|5) und C(-6|5|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -2-6 6-( - 6 ) 5-( - 19 ) ) = ( -8 12 24 ) und AC = ( -6-6 5-( - 6 ) -4-( - 19 ) ) = ( -12 11 15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 12 24 ) × ( -12 11 15 ) = ( 12 · 15 - 24 · 11 24 · ( -12 ) - ( -8 ) · 15 -8 · 11 - 12 · ( -12 ) ) = ( 180 -264 -288 +120 -88 +144 ) = ( -84 -168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -168 56 ) | = (-84) 2 + (-168)2 + 56 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|4|-2), B(4|13|-20), C(16|17|-14) und D(10|8|4) und als Spitze S(13|-12|-5). Berechne das Volumen der Pyramide.

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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 = ( 4-( - 2 ) 13-4 -20-( - 2 ) ) = ( 6 9 -18 ) und AD = BC = ( 16-4 17-13 -14-( - 20 ) ) = ( 12 4 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 9 -18 ) × ( 12 4 6 ) = ( 9 · 6 - ( -18 ) · 4 -18 · 12 - 6 · 6 6 · 4 - 9 · 12 ) = ( 54 +72 -216 -36 24 -108 ) = ( 126 -252 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 126 -252 -84 ) | = 126 2 + (-252)2 + (-84) 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 = ( -2 4 -2 ) + r ( 6 9 -18 ) + s ( 12 4 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 9 -18 ) × ( 12 4 6 ) = ( 9 · 6 - ( -18 ) · 4 -18 · 12 - 6 · 6 6 · 4 - 9 · 12 ) = ( 54 +72 -216 -36 24 -108 ) = ( 126 -252 -84 ) = 42⋅ ( 3 -6 -2 )

Weil der Vektor ( 3 -6 -2 ) orthogonal zu ( 6 9 -18 ) und ( 12 4 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 4 -2 ) ] ( 3 -6 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 -6 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|4|-2) erhält man
d = 3(-2) + (-6)4 + (-2)(-2)
also:

3 x 1 -6 x 2 -2 x 3 = -26

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 = | 3 13-6 ( - 12 )-2 ( - 5 )+26 | 3 2 + ( - 6 ) 2 + ( - 2 ) 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(8|0|-3), B(-4|-16|-3), C(-15|-14|-3) und als Spitze S(1|-1|0).
Berechne das Volumen der Pyramide.

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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 = ( -4-8 -16-0 -3-( - 3 ) ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -15-8 -14-0 -3-( - 3 ) ) = ( -23 -14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -23 -14 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -16 ) · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 168 -368 ) = ( 0 0 -200 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -200 ) | = 0 2 + 02 + (-200) 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 = ( 8 0 -3 ) + r ( -12 -16 0 ) + s ( -23 -14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 -16 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 16 -12 t ) für jedes t orthogonal zu ( -12 -16 0 ) , denn ( -12 -16 0 ) ( 16 -12 t ) =(-12)16 + (-16)(-12) + 0t = -192+192+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -23 -14 0 ) ( 16 -12 t ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 16 -12 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 -16 0 ) × ( -23 -14 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -16 ) · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 168 -368 ) = ( 0 0 -200 )

= -200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 -16 0 ) und ( -23 -14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 8 0 -3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(8|0|-3) erhält man
d = 08 + 00 + 1(-3)
also:

+ x 3 = -3

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 1+0 ( - 1 )+1 0+3 | 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-9|11|3), der Punkt C(-1|4|-4) und die Gerade g: x = ( -9 11 3 ) +t ( -4 8 -1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 hat.

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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 ( -4 t 8 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 9 ) 4-11 -4-3 ) = ( 8 -7 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 t 8 t -1 t ) × ( 8 -7 -7 ) = ( 8 t · ( -7 ) - ( - t ) · ( -7 ) - t · 8 - ( -4 t ) · ( -7 ) -4 t · ( -7 ) - 8 t · 8 ) = ( -56 t -7 t -8 t -28 t 28 t -64 t ) = ( -63 t -36 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -63 t -36 t -36 t ) | = 3969 t 2 +1296 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 -4 t | 11 +8 t | 3 -1 t ) ergibt
B1(-17|27|1).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 -4 t | 11 +8 t | 3 -1 t ) ergibt
B2(-1|-5|5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 .

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

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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 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 2 0 +2 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =6, also S3(0|0|6)

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 ⋅ 15⋅15 = 112.5, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅6
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 81. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

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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:

3 x 1 +2 x 2 + 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 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +1 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 1 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 81 |⋅4
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 18

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

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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:

x 1 +2 x 2 +4 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 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +2 0 +4 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 1 0 +2 0 +4 z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

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 1 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 2 d 4 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12

Aber auch E2: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.