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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-4|7|12), B(12|3|-20) und C(0|-3|-5) 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 = ( -4 7 12 ) + ( -12 -6 15 ) = ( -16 1 27 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-16|1|27).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 12-( - 4 ) 3-7 -20-12 ) = ( 16 -4 -32 ) und AD = BC = ( 0-12 -3-3 -5-( - 20 ) ) = ( -12 -6 15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -4 -32 ) × ( -12 -6 15 ) = ( -4 · 15 - ( -32 ) · ( -6 ) -32 · ( -12 ) - 16 · 15 16 · ( -6 ) - ( -4 ) · ( -12 ) ) = ( -60 -192 384 -240 -96 -48 ) = ( -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(-4|3|4), B(-36|7|20) und C(3|10|-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 = ( -36-( - 4 ) 7-3 20-4 ) = ( -32 4 16 ) und AC = ( 3-( - 4 ) 10-3 -4-4 ) = ( 7 7 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -32 4 16 ) × ( 7 7 -8 ) = ( 4 · ( -8 ) - 16 · 7 16 · 7 - ( -32 ) · ( -8 ) -32 · 7 - 4 · 7 ) = ( -32 -112 112 -256 -224 -28 ) = ( -144 -144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 -144 -252 ) | = (-144) 2 + (-144)2 + (-252) 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(-1|-1|8), B(-1|15|-4), C(-1|13|-15) und D(-1|-3|-3) und als Spitze S(2|0|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 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 = ( -1-( - 1 ) 15-( - 1 ) -4-8 ) = ( 0 16 -12 ) und AD = BC = ( -1-( - 1 ) 13-15 -15-( - 4 ) ) = ( 0 -2 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 16 -12 ) × ( 0 -2 -11 ) = ( 16 · ( -11 ) - ( -12 ) · ( -2 ) -12 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 16 · 0 ) = ( -176 -24 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -200 0 0 ) | = (-200) 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 200.

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 = ( -1 -1 8 ) + r ( 0 16 -12 ) + s ( 0 -2 -11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 16 -12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 12 16 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 16 -12 ) , denn ( 0 16 -12 ) ( t 12 16 ) =0t + 1612 + (-12)16 = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -2 -11 ) ( t 12 16 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 16 -12 ) × ( 0 -2 -11 ) = ( 16 · ( -11 ) - ( -12 ) · ( -2 ) -12 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 16 · 0 ) = ( -176 -24 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 )

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 16 -12 ) und ( 0 -2 -11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -1 8 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

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

x 1 = -1

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 = | 1 2+0 0+0 1+1 | 1 2 + 0 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|4|-8), B(7|-14|19), C(27|-8|32) und als Spitze S(-6|25|21).
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 = ( 7-1 -14-4 19-( - 8 ) ) = ( 6 -18 27 ) und AC = ( 27-1 -8-4 32-( - 8 ) ) = ( 26 -12 40 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -18 27 ) × ( 26 -12 40 ) = ( -18 · 40 - 27 · ( -12 ) 27 · 26 - 6 · 40 6 · ( -12 ) - ( -18 ) · 26 ) = ( -720 +324 702 -240 -72 +468 ) = ( -396 462 396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 462 396 ) | = (-396) 2 + 4622 + 396 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 4 -8 ) + r ( 6 -18 27 ) + s ( 26 -12 40 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -18 27 ) × ( 26 -12 40 ) = ( -18 · 40 - 27 · ( -12 ) 27 · 26 - 6 · 40 6 · ( -12 ) - ( -18 ) · 26 ) = ( -720 +324 702 -240 -72 +468 ) = ( -396 462 396 ) = 66⋅ ( -6 7 6 )

Weil der Vektor ( -6 7 6 ) orthogonal zu ( 6 -18 27 ) und ( 26 -12 40 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 4 -8 ) ] ( -6 7 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|4|-8) erhält man
d = (-6)1 + 74 + 6(-8)
also:

-6 x 1 +7 x 2 +6 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 = | -6 ( - 6 )+7 25+6 21+26 | ( - 6 ) 2 + 7 2 + 6 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(13|4|-22), der Punkt C(7|-9|-2) und die Gerade g: x = ( 13 4 -22 ) +t ( -6 -2 9 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 242 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 9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 7-13 -9-4 -2-( - 22 ) ) = ( -6 -13 20 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t -2 t 9 t ) × ( -6 -13 20 ) = ( -2 t · 20 - 9 t · ( -13 ) 9 t · ( -6 ) - ( -6 t ) · 20 -6 t · ( -13 ) - ( -2 t ) · ( -6 ) ) = ( -40 t +117 t -54 t +120 t 78 t -12 t ) = ( 77 t 66 t 66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 77 t 66 t 66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | 4 -2 t | -22 +9 t ) ergibt
B1(-11|-4|14).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | 4 -2 t | -22 +9 t ) ergibt
B2(37|12|-58).

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: 2 x 1 + x 2 +4 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 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:

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

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

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 2 d 4 = 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: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = 4

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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:

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

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

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 2 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 2 d 5 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

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