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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|2|-1), B(11|2|11) und C(-8|2|3) 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 2 -1 ) + ( -19 0 -8 ) = ( -24 2 -9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-24|2|-9).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 11-( - 5 ) 2-2 11-( - 1 ) ) = ( 16 0 12 ) und AD = BC = ( -8-11 2-2 3-11 ) = ( -19 0 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 0 12 ) × ( -19 0 -8 ) = ( 0 · ( -8 ) - 12 · 0 12 · ( -19 ) - 16 · ( -8 ) 16 · 0 - 0 · ( -19 ) ) = ( 0+0 -228 +128 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-1|4|4), B(3|-4|-4) und C(3|2|-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 = ( 3-( - 1 ) -4-4 -4-4 ) = ( 4 -8 -8 ) und AC = ( 3-( - 1 ) 2-4 -1-4 ) = ( 4 -2 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -8 -8 ) × ( 4 -2 -5 ) = ( -8 · ( -5 ) - ( -8 ) · ( -2 ) -8 · 4 - 4 · ( -5 ) 4 · ( -2 ) - ( -8 ) · 4 ) = ( 40 -16 -32 +20 -8 +32 ) = ( 24 -12 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 -12 24 ) | = 24 2 + (-12)2 + 24 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(2|-4|2), B(-14|-12|0), C(-16|-4|-16) und D(0|4|-14) und als Spitze S(13|-21|-18). 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 = ( -14-2 -12-( - 4 ) 0-2 ) = ( -16 -8 -2 ) und AD = BC = ( -16-( - 14 ) -4-( - 12 ) -16-0 ) = ( -2 8 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -8 -2 ) × ( -2 8 -16 ) = ( -8 · ( -16 ) - ( -2 ) · 8 -2 · ( -2 ) - ( -16 ) · ( -16 ) -16 · 8 - ( -8 ) · ( -2 ) ) = ( 128 +16 4 -256 -128 -16 ) = ( 144 -252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 -144 ) | = 144 2 + (-252)2 + (-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.

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 -4 2 ) + r ( -16 -8 -2 ) + s ( -2 8 -16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -16 -8 -2 ) × ( -2 8 -16 ) = ( -8 · ( -16 ) - ( -2 ) · 8 -2 · ( -2 ) - ( -16 ) · ( -16 ) -16 · 8 - ( -8 ) · ( -2 ) ) = ( 128 +16 4 -256 -128 -16 ) = ( 144 -252 -144 ) = 36⋅ ( 4 -7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( -16 -8 -2 ) und ( -2 8 -16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -4 2 ) ] ( 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|-4|2) erhält man
d = 42 + (-7)(-4) + (-4)2
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 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 = | 4 13-7 ( - 21 )-4 ( - 18 )-28 | 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 · 324 · 27 = 2916

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-7|3), B(0|2|-9), C(0|13|-7) und als Spitze S(3|0|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 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 = ( 0-0 2-( - 7 ) -9-3 ) = ( 0 9 -12 ) und AC = ( 0-0 13-( - 7 ) -7-3 ) = ( 0 20 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 9 -12 ) × ( 0 20 -10 ) = ( 9 · ( -10 ) - ( -12 ) · 20 -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( -90 +240 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 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 ⋅ 150 = 75.

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 -7 3 ) + r ( 0 9 -12 ) + s ( 0 20 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 20 -10 ) ( t 12 9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 9 -12 ) × ( 0 20 -10 ) = ( 9 · ( -10 ) - ( -12 ) · 20 -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( -90 +240 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 9 -12 ) und ( 0 20 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -7 3 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-7|3) erhält man
d = 10 + 0(-7) + 03
also:

x 1 = 0

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 3+0 0+0 2-0 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-1|-2), der Punkt C(3|-5|-3) und die Gerade g: x = ( 4 -1 -2 ) +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 = 22,5 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 = ( 3-4 -5-( - 1 ) -3-( - 2 ) ) = ( -1 -4 -1 ) .

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 ) × ( -1 -4 -1 ) = ( 2 t · ( -1 ) - 2 t · ( -4 ) 2 t · ( -1 ) - ( - t ) · ( -1 ) - t · ( -4 ) - 2 t · ( -1 ) ) = ( -2 t +8 t -2 t - t 4 t +2 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 22,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 22,5 |⋅2

| 9t | = 45

1. Fall

9t = 45 |: 9

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -1 t | -1 +2 t | -2 +2 t ) ergibt
B1(-1|9|8).

2. Fall

- 9t = 45 |: -9

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -1 t | -1 +2 t | -2 +2 t ) ergibt
B2(9|-11|-12).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12 .

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 +2 x 2 +4 x 3 = 12 ein.

S1: 2 x +2 0 +4 0 = 12 => x= 6 2 =3, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +2 y +4 0 = 12 => y= 6 2 =3, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +2 0 +4 z = 12 => z= 6 4 =1.5, also S3(0|0|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 ⋅ 6⋅6 = 18, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +3 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 54. 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 +3 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 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +3 0 +2 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 1 0 +3 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 1 d 3 = d 2 6

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 2 = 54 |⋅6
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18

Aber auch E2: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 450. 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:

4 x 1 +4 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 4 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +4 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +4 y +5 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 4 0 +4 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 4 d 4 , 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 4 d 4 d 5 = d 3 480

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 480 d 3 = 450 |⋅480
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60

Aber auch E2: 4 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.