Aufgabenbeispiele von Flächen und Volumen

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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|4|-6), B(-29|8|10) und C(-6|13|-6) 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 = ( 3 4 -6 ) + ( 23 5 -16 ) = ( 26 9 -22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(26|9|-22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -29-3 8-4 10-( - 6 ) ) = ( -32 4 16 ) und AD = BC = ( -6-( - 29 ) 13-8 -6-10 ) = ( 23 5 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -32 4 16 ) × ( 23 5 -16 ) = ( 4 · ( -16 ) - 16 · 5 16 · 23 - ( -32 ) · ( -16 ) -32 · 5 - 4 · 23 ) = ( -64 -80 368 -512 -160 -92 ) = ( -144 -144 -252 ) .

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

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-9|9|-4), B(7|-3|-4) und C(0|-4|-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 = ( 7-( - 9 ) -3-9 -4-( - 4 ) ) = ( 16 -12 0 ) und AC = ( 0-( - 9 ) -4-9 -4-( - 4 ) ) = ( 9 -13 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -12 0 ) × ( 9 -13 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -13 ) 0 · 9 - 16 · 0 16 · ( -13 ) - ( -12 ) · 9 ) = ( 0+0 0+0 -208 +108 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-4|-2|-4), B(20|-14|-7), C(22|-6|-23) und D(-2|6|-20) und als Spitze S(9|23|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 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 = ( 20-( - 4 ) -14-( - 2 ) -7-( - 4 ) ) = ( 24 -12 -3 ) und AD = BC = ( 22-20 -6-( - 14 ) -23-( - 7 ) ) = ( 2 8 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -12 -3 ) × ( 2 8 -16 ) = ( -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) 24 · 8 - ( -12 ) · 2 ) = ( 192 +24 -6 +384 192 +24 ) = ( 216 378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 378 216 ) | = 216 2 + 3782 + 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 = ( -4 -2 -4 ) + r ( 24 -12 -3 ) + s ( 2 8 -16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 -12 -3 ) × ( 2 8 -16 ) = ( -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) 24 · 8 - ( -12 ) · 2 ) = ( 192 +24 -6 +384 192 +24 ) = ( 216 378 216 ) = 54⋅ ( 4 7 4 )

Weil der Vektor ( 4 7 4 ) orthogonal zu ( 24 -12 -3 ) und ( 2 8 -16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 -2 -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(-4|-2|-4) erhält man
d = 4(-4) + 7(-2) + 4(-4)
also:

4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = -46

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 9+7 23+4 0+46 | 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(-3|-4|-2), B(-9|4|-2), C(-17|-2|-2) und als Spitze S(-7|-7|1).
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 = ( -9-( - 3 ) 4-( - 4 ) -2-( - 2 ) ) = ( -6 8 0 ) und AC = ( -17-( - 3 ) -2-( - 4 ) -2-( - 2 ) ) = ( -14 2 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 8 0 ) × ( -14 2 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · 2 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · 2 - 8 · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 -12 +112 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

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 -4 -2 ) + r ( -6 8 0 ) + s ( -14 2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 8 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -8 -6 t ) für jedes t orthogonal zu ( -6 8 0 ) , denn ( -6 8 0 ) ( -8 -6 t ) =(-6)(-8) + 8(-6) + 0t = 48-48+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 2 0 ) ( -8 -6 t ) = 0⋅t +100 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -8 -6 - 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -6 8 0 ) × ( -14 2 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · 2 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · 2 - 8 · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 -12 +112 ) = ( 0 0 100 )

= 100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -6 8 0 ) und ( -14 2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -4 -2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-4|-2) erhält man
d = 0(-3) + 0(-4) + 1(-2)
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 ( - 7 )+1 1+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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|3|-4), der Punkt C(0|11|1) und die Gerade g: x = ( 3 3 -4 ) +t ( -6 2 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 49 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 ( -6 t 2 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-3 11-3 1-( - 4 ) ) = ( -3 8 5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t 2 t 3 t ) × ( -3 8 5 ) = ( 2 t · 5 - 3 t · 8 3 t · ( -3 ) - ( -6 t ) · 5 -6 t · 8 - 2 t · ( -3 ) ) = ( 10 t -24 t -9 t +30 t -48 t +6 t ) = ( -14 t 21 t -42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -14 t 21 t -42 t ) | = 196 t 2 +441 t 2 +1764 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 49 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 49 |⋅2

| 49t | = 98

1. Fall

49t = 98 |: 49

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -6 t | 3 +2 t | -4 +3 t ) ergibt
B1(-9|7|2).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -6 t | 3 +2 t | -4 +3 t ) ergibt
B2(15|-1|-10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 24 .

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 +4 x 2 +3 x 3 = 24 ein.

S1: 2 x +4 0 +3 0 = 24 => x= 24 2 =12, also S1(12|0|0)
S2: 2 0 +4 y +3 0 = 24 => y= 24 4 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +4 0 +3 z = 24 => z= 24 3 =8, also S3(0|0|8)

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 ⋅ 12⋅6 = 36, 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= 8 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅36⋅8
=96

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 3. 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 +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 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 3 |⋅12
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 6

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -6 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-3|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 6 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 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 337.5. 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 +3 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 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 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 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 3 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 3 = d 3 270

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 270 d 3 = 337,5 |⋅270
d 3 = 91125 | 3
d = 91125 3 = 45

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 45

Aber auch E2: 5 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -45 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 45 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.