Aufgabenbeispiele von Flächen und Volumen

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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(0|-3|0), B(12|5|24) und C(2|3|-3) 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 = ( 0 -3 0 ) + ( -10 -2 -27 ) = ( -10 -5 -27 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-10|-5|-27).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 12-0 5-( - 3 ) 24-0 ) = ( 12 8 24 ) und AD = BC = ( 2-12 3-5 -3-24 ) = ( -10 -2 -27 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 24 ) × ( -10 -2 -27 ) = ( 8 · ( -27 ) - 24 · ( -2 ) 24 · ( -10 ) - 12 · ( -27 ) 12 · ( -2 ) - 8 · ( -10 ) ) = ( -216 +48 -240 +324 -24 +80 ) = ( -168 84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 84 56 ) | = (-168) 2 + 842 + 56 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-10|14|0), B(2|-10|8) und C(-2|5|10).

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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-( - 10 ) -10-14 8-0 ) = ( 12 -24 8 ) und AC = ( -2-( - 10 ) 5-14 10-0 ) = ( 8 -9 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -24 8 ) × ( 8 -9 10 ) = ( -24 · 10 - 8 · ( -9 ) 8 · 8 - 12 · 10 12 · ( -9 ) - ( -24 ) · 8 ) = ( -240 +72 64 -120 -108 +192 ) = ( -168 -56 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 -56 84 ) | = (-168) 2 + (-56)2 + 84 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(9|-8|-1), B(-15|4|-4), C(-25|0|-21) und D(-1|-12|-18) und als Spitze S(12|13|-22). 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 = ( -15-9 4-( - 8 ) -4-( - 1 ) ) = ( -24 12 -3 ) und AD = BC = ( -25-( - 15 ) 0-4 -21-( - 4 ) ) = ( -10 -4 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 12 -3 ) × ( -10 -4 -17 ) = ( 12 · ( -17 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -10 ) - ( -24 ) · ( -17 ) -24 · ( -4 ) - 12 · ( -10 ) ) = ( -204 -12 30 -408 96 +120 ) = ( -216 -378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 -378 216 ) | = (-216) 2 + (-378)2 + 216 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( 9 -8 -1 ) + r ( -24 12 -3 ) + s ( -10 -4 -17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -24 12 -3 ) × ( -10 -4 -17 ) = ( 12 · ( -17 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -10 ) - ( -24 ) · ( -17 ) -24 · ( -4 ) - 12 · ( -10 ) ) = ( -204 -12 30 -408 96 +120 ) = ( -216 -378 216 ) = -54⋅ ( 4 7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 7 -4 ) orthogonal zu ( -24 12 -3 ) und ( -10 -4 -17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 9 -8 -1 ) ] ( 4 7 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 +7 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(9|-8|-1) erhält man
d = 49 + 7(-8) + (-4)(-1)
also:

4 x 1 +7 x 2 -4 x 3 = -16

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 = | 4 12+7 13-4 ( - 22 )+16 | 4 2 + 7 2 + ( - 4 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|3|-4), B(3|-5|-20), C(19|3|-22) und als Spitze S(21|-14|7).
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 = ( 3-1 -5-3 -20-( - 4 ) ) = ( 2 -8 -16 ) und AC = ( 19-1 3-3 -22-( - 4 ) ) = ( 18 0 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 -8 -16 ) × ( 18 0 -18 ) = ( -8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 18 - 2 · ( -18 ) 2 · 0 - ( -8 ) · 18 ) = ( 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.

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 = ( 1 3 -4 ) + r ( 2 -8 -16 ) + s ( 18 0 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 0 -18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -18 t -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 18 0 -18 ) , denn ( 18 0 -18 ) ( -18 t -18 ) =18(-18) + 0t + (-18)(-18) = -324+0+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 2 -8 -16 ) ( -18 t -18 ) = -8⋅t +252 = 0 wird, also t= 63 2 = 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -18 63 2 -18 ) = 1 2 ( -36 63 -36 ) = -9 2 ( 4 -7 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 2 -8 -16 ) × ( 18 0 -18 ) = ( -8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 18 - 2 · ( -18 ) 2 · 0 - ( -8 ) · 18 ) = ( 144 +0 -288 +36 0 +144 ) = ( 144 -252 144 )

= 36⋅ ( 4 -7 4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 4 ) orthogonal zu ( 2 -8 -16 ) und ( 18 0 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 3 -4 ) ] ( 4 -7 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|3|-4) erhält man
d = 41 + (-7)3 + 4(-4)
also:

4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = -33

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 = | 4 21-7 ( - 14 )+4 7+33 | 4 2 + ( - 7 ) 2 + 4 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(11|6|1), der Punkt C(4|-2|-6) und die Gerade g: x = ( 11 6 1 ) +t ( 8 4 -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 = 202,5 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 ( 8 t 4 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-11 -2-6 -6-1 ) = ( -7 -8 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t 63 t -36 t ) | = 1296 t 2 +3969 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 202,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 202,5 |⋅2

| 81t | = 405

1. Fall

81t = 405 |: 81

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 11 +8 t | 6 +4 t | 1 -1 t ) ergibt
B1(51|26|-4).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 11 +8 t | 6 +4 t | 1 -1 t ) ergibt
B2(-29|-14|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅6 = 45, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +4 x 2 +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 1. 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 +4 x 2 +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 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 1 |⋅16
d 2 = 16 | 2
d1 = - 16 = -4
d2 = 16 = 4

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

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

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 150. 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:

5 x 1 +3 x 2 +2 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 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 0 +2 z = d => z = d 2 , also S3(0|0| d 2 )

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 5 d 3 , 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 3 d 2 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.