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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-8|10|6), B(-24|42|10) und C(0|3|13) 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 = ( -8 10 6 ) + ( 24 -39 3 ) = ( 16 -29 9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(16|-29|9).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -24-( - 8 ) 42-10 10-6 ) = ( -16 32 4 ) und AD = BC = ( 0-( - 24 ) 3-42 13-10 ) = ( 24 -39 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 32 4 ) × ( 24 -39 3 ) = ( 32 · 3 - 4 · ( -39 ) 4 · 24 - ( -16 ) · 3 -16 · ( -39 ) - 32 · 24 ) = ( 96 +156 96 +48 624 -768 ) = ( 252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 -144 ) | = 252 2 + 1442 + (-144) 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(1|5|-2), B(-11|-11|-2) und C(-9|0|-2).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -11-1 -11-5 -2-( - 2 ) ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -9-1 0-5 -2-( - 2 ) ) = ( -10 -5 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -10 -5 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -5 ) 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -5 ) - ( -16 ) · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 60 -160 ) = ( 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(-3|-1|-3), B(3|-7|-6), C(7|-5|-11) und D(1|1|-8) und als Spitze S(6|2|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 = ( 3-( - 3 ) -7-( - 1 ) -6-( - 3 ) ) = ( 6 -6 -3 ) und AD = BC = ( 7-3 -5-( - 7 ) -11-( - 6 ) ) = ( 4 2 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -6 -3 ) × ( 4 2 -5 ) = ( -6 · ( -5 ) - ( -3 ) · 2 -3 · 4 - 6 · ( -5 ) 6 · 2 - ( -6 ) · 4 ) = ( 30 +6 -12 +30 12 +24 ) = ( 36 18 36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 36 18 36 ) | = 36 2 + 182 + 36 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 54.

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 -1 -3 ) + r ( 6 -6 -3 ) + s ( 4 2 -5 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -6 -3 ) × ( 4 2 -5 ) = ( -6 · ( -5 ) - ( -3 ) · 2 -3 · 4 - 6 · ( -5 ) 6 · 2 - ( -6 ) · 4 ) = ( 30 +6 -12 +30 12 +24 ) = ( 36 18 36 ) = 18⋅ ( 2 1 2 )

Weil der Vektor ( 2 1 2 ) orthogonal zu ( 6 -6 -3 ) und ( 4 2 -5 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -1 -3 ) ] ( 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|-1|-3) erhält man
d = 2(-3) + 1(-1) + 2(-3)
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -13

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 6+1 2+2 0+13 | 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 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-4|7), B(12|-4|-9), C(23|-4|-7) und als Spitze S(7|-1|6).
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 = ( 12-0 -4-( - 4 ) -9-7 ) = ( 12 0 -16 ) und AC = ( 23-0 -4-( - 4 ) -7-7 ) = ( 23 0 -14 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -200 0 ) | = 0 2 + (-200)2 + 0 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 = ( 0 -4 7 ) + r ( 12 0 -16 ) + s ( 23 0 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 0 -16 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -16 t -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 12 0 -16 ) , denn ( 12 0 -16 ) ( -16 t -12 ) =12(-16) + 0t + (-16)(-12) = -192+0+192=0.

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

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

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

= -200⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 -16 ) und ( 23 0 -14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -4 7 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-4|7) erhält man
d = 00 + 1(-4) + 07
also:

+ x 2 = -4

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+1 ( - 1 )+0 6+4 | 0 2 + 1 2 + 0 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(4|7|0), der Punkt C(-1|3|2) und die Gerade g: x = ( 4 7 0 ) +t ( -2 -1 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 = 18 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 ( -2 t -1 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-4 3-7 2-0 ) = ( -5 -4 2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 t -1 t 2 t ) × ( -5 -4 2 ) = ( - t · 2 - 2 t · ( -4 ) 2 t · ( -5 ) - ( -2 t ) · 2 -2 t · ( -4 ) - ( - t ) · ( -5 ) ) = ( -2 t +8 t -10 t +4 t 8 t -5 t ) = ( 6 t -6 t 3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t -6 t 3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | 7 -1 t | 0 +2 t ) ergibt
B1(-4|3|8).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | 7 -1 t | 0 +2 t ) ergibt
B2(12|11|-8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 6 .

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 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 6 ein.

S1: 3 x +2 0 +1 0 = 6 => x= 6 3 =2, also S1(2|0|0)
S2: 3 0 +2 y +1 0 = 6 => y= 6 2 =3, also S2(0|3|0)
S3: 3 0 +2 0 +1 z = 6 => z=6=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 ⋅ 2⋅3 = 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 OS3= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 x 2 +5 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 160. 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 +4 x 2 +5 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 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 160 |⋅40
d 2 = 6400 | 2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 80

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = -80 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-16|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-16). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 80 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 16200. 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 +5 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 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 3 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 5 d 4 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 16200 |⋅360
d 3 = 5832000 | 3
d = 5832000 3 = 180

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 180

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -180 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-60|0|0), S2(0|-36|0) und S3(0|0|-45). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 180 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.