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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(9|-2|-11), B(-7|-6|21) und C(5|-12|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 = ( 9 -2 -11 ) + ( 12 -6 -15 ) = ( 21 -8 -26 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(21|-8|-26).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -7-9 -6-( - 2 ) 21-( - 11 ) ) = ( -16 -4 32 ) und AD = BC = ( 5-( - 7 ) -12-( - 6 ) 6-21 ) = ( 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(-5|-2|9), B(-17|-10|33) und C(-4|-6|0).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -17-( - 5 ) -10-( - 2 ) 33-9 ) = ( -12 -8 24 ) und AC = ( -4-( - 5 ) -6-( - 2 ) 0-9 ) = ( 1 -4 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -8 24 ) × ( 1 -4 -9 ) = ( -8 · ( -9 ) - 24 · ( -4 ) 24 · 1 - ( -12 ) · ( -9 ) -12 · ( -4 ) - ( -8 ) · 1 ) = ( 72 +96 24 -108 48 +8 ) = ( 168 -84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 -84 56 ) | = 168 2 + (-84)2 + 56 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(2|5|-2), B(2|17|7), C(2|11|15) und D(2|-1|6) und als Spitze S(5|2|2). 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 = ( 2-2 17-5 7-( - 2 ) ) = ( 0 12 9 ) und AD = BC = ( 2-2 11-17 15-7 ) = ( 0 -6 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 12 9 ) × ( 0 -6 8 ) = ( 12 · 8 - 9 · ( -6 ) 9 · 0 - 0 · 8 0 · ( -6 ) - 12 · 0 ) = ( 96 +54 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 150 0 0 ) | = 150 2 + 02 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 = ( 2 5 -2 ) + r ( 0 12 9 ) + s ( 0 -6 8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 12 9 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -9 12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 12 9 ) , denn ( 0 12 9 ) ( t -9 12 ) =0t + 12(-9) + 912 = 0-108+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -6 8 ) ( t -9 12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( - 1 0 -9 12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 12 9 ) × ( 0 -6 8 ) = ( 12 · 8 - 9 · ( -6 ) 9 · 0 - 0 · 8 0 · ( -6 ) - 12 · 0 ) = ( 96 +54 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 12 9 ) und ( 0 -6 8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 5 -2 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|5|-2) erhält man
d = 12 + 05 + 0(-2)
also:

x 1 = 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 = | 1 5+0 2+0 2-2 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-2|-1), B(-6|-8|5), C(-11|-6|9) und als Spitze S(0|1|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 = ( -6-( - 3 ) -8-( - 2 ) 5-( - 1 ) ) = ( -3 -6 6 ) und AC = ( -11-( - 3 ) -6-( - 2 ) 9-( - 1 ) ) = ( -8 -4 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 -6 6 ) × ( -8 -4 10 ) = ( -6 · 10 - 6 · ( -4 ) 6 · ( -8 ) - ( -3 ) · 10 -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( -60 +24 -48 +30 12 -48 ) = ( -36 -18 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 -18 -36 ) | = (-36) 2 + (-18)2 + (-36) 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 -2 -1 ) + r ( -3 -6 6 ) + s ( -8 -4 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 -6 6 ) × ( -8 -4 10 ) = ( -6 · 10 - 6 · ( -4 ) 6 · ( -8 ) - ( -3 ) · 10 -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( -60 +24 -48 +30 12 -48 ) = ( -36 -18 -36 ) = -18⋅ ( 2 1 2 )

Weil der Vektor ( 2 1 2 ) orthogonal zu ( -3 -6 6 ) und ( -8 -4 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -2 -1 ) ] ( 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|-2|-1) erhält man
d = 2(-3) + 1(-2) + 2(-1)
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -10

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 0+1 1+2 8+10 | 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|-7|1), der Punkt C(-6|-7|-2) und die Gerade g: x = ( -3 -7 1 ) +t ( -1 2 -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 = 13,5 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 ( -1 t 2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 3 ) -7-( - 7 ) -2-1 ) = ( -3 0 -3 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t 2 t -2 t ) × ( -3 0 -3 ) = ( 2 t · ( -3 ) - ( -2 t ) · 0 -2 t · ( -3 ) - ( - t ) · ( -3 ) - t · 0 - 2 t · ( -3 ) ) = ( -6 t +0 6 t -3 t 0 +6 t ) = ( -6 t 3 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -6 t 3 t 6 t ) | = 36 t 2 +9 t 2 +36 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 -1 t | -7 +2 t | 1 -2 t ) ergibt
B1(-6|-1|-5).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 -1 t | -7 +2 t | 1 -2 t ) ergibt
B2(0|-13|7).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 .

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 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 ein.

S1: 5 x +4 0 +5 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +4 y +5 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +4 0 +5 z = 60 => z= 60 5 =12, also S3(0|0|12)

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⋅15 = 90, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅12
=360

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +5 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 300. 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 +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 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 300 |⋅12
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60 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 + x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. 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 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 )

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 1 , 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 2 d 1 d 4 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = 12

Aber auch E2: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.