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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|1|0), B(1|-7|-8) und C(2|-2|0) 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 = ( 5 1 0 ) + ( 1 5 8 ) = ( 6 6 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(6|6|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-5 -7-1 -8-0 ) = ( -4 -8 -8 ) und AD = BC = ( 2-1 -2-( - 7 ) 0-( - 8 ) ) = ( 1 5 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -8 -8 ) × ( 1 5 8 ) = ( -8 · 8 - ( -8 ) · 5 -8 · 1 - ( -4 ) · 8 -4 · 5 - ( -8 ) · 1 ) = ( -64 +40 -8 +32 -20 +8 ) = ( -24 24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 -12 ) | = (-24) 2 + 242 + (-12) 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(0|-8|16), B(-4|8|-16) und C(-10|-4|-1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -4-0 8-( - 8 ) -16-16 ) = ( -4 16 -32 ) und AC = ( -10-0 -4-( - 8 ) -1-16 ) = ( -10 4 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 16 -32 ) × ( -10 4 -17 ) = ( 16 · ( -17 ) - ( -32 ) · 4 -32 · ( -10 ) - ( -4 ) · ( -17 ) -4 · 4 - 16 · ( -10 ) ) = ( -272 +128 320 -68 -16 +160 ) = ( -144 252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 252 144 ) | = (-144) 2 + 2522 + 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(4|4|-4), B(-32|-4|20), C(-45|-24|14) und D(-9|-16|-10) und als Spitze S(11|-25|17). 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 = ( -32-4 -4-4 20-( - 4 ) ) = ( -36 -8 24 ) und AD = BC = ( -45-( - 32 ) -24-( - 4 ) 14-20 ) = ( -13 -20 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 -8 24 ) × ( -13 -20 -6 ) = ( -8 · ( -6 ) - 24 · ( -20 ) 24 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -6 ) -36 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -13 ) ) = ( 48 +480 -312 -216 720 -104 ) = ( 528 -528 616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 528 -528 616 ) | = 528 2 + (-528)2 + 616 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 968.

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 4 -4 ) + r ( -36 -8 24 ) + s ( -13 -20 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -36 -8 24 ) × ( -13 -20 -6 ) = ( -8 · ( -6 ) - 24 · ( -20 ) 24 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -6 ) -36 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -13 ) ) = ( 48 +480 -312 -216 720 -104 ) = ( 528 -528 616 ) = 88⋅ ( 6 -6 7 )

Weil der Vektor ( 6 -6 7 ) orthogonal zu ( -36 -8 24 ) und ( -13 -20 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 4 -4 ) ] ( 6 -6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|4|-4) erhält man
d = 64 + (-6)4 + 7(-4)
also:

6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = -28

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 = | 6 11-6 ( - 25 )+7 17+28 | 6 2 + ( - 6 ) 2 + 7 2
= | 363 | 121 = 363 11 = 33

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 33.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|-3|-5), B(-4|-11|11), C(-20|-3|13) und als Spitze S(2|22|8).
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-( - 2 ) -11-( - 3 ) 11-( - 5 ) ) = ( -2 -8 16 ) und AC = ( -20-( - 2 ) -3-( - 3 ) 13-( - 5 ) ) = ( -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 = ( -2 -3 -5 ) + 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 + 1818 = -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 - ( -2 -3 -5 ) ] ( 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(-2|-3|-5) erhält man
d = 4(-2) + 7(-3) + 4(-5)
also:

4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = -49

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 2+7 22+4 8+49 | 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(-9|-3|5), der Punkt C(1|-3|0) und die Gerade g: x = ( -9 -3 5 ) +t ( 3 0 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 62,5 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 ( 3 t 0 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-( - 9 ) -3-( - 3 ) 0-5 ) = ( 10 0 -5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t 0 t -4 t ) × ( 10 0 -5 ) = ( 0 · ( -5 ) - ( -4 t ) · 0 -4 t · 10 - 3 t · ( -5 ) 3 t · 0 - 0 · 10 ) = ( 0+0 -40 t +15 t 0+0 ) = ( 0 -25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 -25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +3 t | -3 +0 t | 5 -4 t ) ergibt
B1(6|-3|-15).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +3 t | -3 +0 t | 5 -4 t ) ergibt
B2(-24|-3|25).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 90 .

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 +3 x 2 +5 x 3 = 90 ein.

S1: 2 x +3 0 +5 0 = 90 => x= 90 2 =45, also S1(45|0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = 90 => y= 90 3 =30, also S2(0|30|0)
S3: 2 0 +3 0 +5 z = 90 => z= 90 5 =18, also S3(0|0|18)

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 ⋅ 45⋅30 = 675, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅675⋅18
=4050

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 x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 64. 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 OS1 und OS3.

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

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 64 |⋅4
d 2 = 256 | 2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 16

Aber auch E2: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-16|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 16 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 +5 x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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:

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

S1: 1 x +5 0 +1 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 1 0 +5 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 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 OS2= d 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 5 d 1 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 15

Aber auch E2: x 1 +5 x 2 + x 3 = -15 ist eine Lösung.

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