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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|0|4), B(29|8|-20) und C(4|11|4) 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 = ( -7 0 4 ) + ( -25 3 24 ) = ( -32 3 28 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-32|3|28).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 29-( - 7 ) 8-0 -20-4 ) = ( 36 8 -24 ) und AD = BC = ( 4-29 11-8 4-( - 20 ) ) = ( -25 3 24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 8 -24 ) × ( -25 3 24 ) = ( 8 · 24 - ( -24 ) · 3 -24 · ( -25 ) - 36 · 24 36 · 3 - 8 · ( -25 ) ) = ( 192 +72 600 -864 108 +200 ) = ( 264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -264 308 ) | = 264 2 + (-264)2 + 308 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(11|16|13), B(3|-8|1) und C(-1|1|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 = ( 3-11 -8-16 1-13 ) = ( -8 -24 -12 ) und AC = ( -1-11 1-16 2-13 ) = ( -12 -15 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 -12 ) × ( -12 -15 -11 ) = ( -24 · ( -11 ) - ( -12 ) · ( -15 ) -12 · ( -12 ) - ( -8 ) · ( -11 ) -8 · ( -15 ) - ( -24 ) · ( -12 ) ) = ( 264 -180 144 -88 120 -288 ) = ( 84 56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 56 -168 ) | = 84 2 + 562 + (-168) 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(-11|3|8), B(13|6|-4), C(23|23|0) und D(-1|20|12) und als Spitze S(-14|24|-13). 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 = ( 13-( - 11 ) 6-3 -4-8 ) = ( 24 3 -12 ) und AD = BC = ( 23-13 23-6 0-( - 4 ) ) = ( 10 17 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 3 -12 ) × ( 10 17 4 ) = ( 3 · 4 - ( -12 ) · 17 -12 · 10 - 24 · 4 24 · 17 - 3 · 10 ) = ( 12 +204 -120 -96 408 -30 ) = ( 216 -216 378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 -216 378 ) | = 216 2 + (-216)2 + 378 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( -11 3 8 ) + r ( 24 3 -12 ) + s ( 10 17 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 3 -12 ) × ( 10 17 4 ) = ( 3 · 4 - ( -12 ) · 17 -12 · 10 - 24 · 4 24 · 17 - 3 · 10 ) = ( 12 +204 -120 -96 408 -30 ) = ( 216 -216 378 ) = -54⋅ ( -4 4 -7 )

Weil der Vektor ( -4 4 -7 ) orthogonal zu ( 24 3 -12 ) und ( 10 17 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -11 3 8 ) ] ( -4 4 -7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-11|3|8) erhält man
d = (-4)(-11) + 43 + (-7)8
also:

-4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = 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 = | -4 ( - 14 )+4 24-7 ( - 13 )-0 | ( - 4 ) 2 + 4 2 + ( - 7 ) 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|5|-2), B(-4|23|10), C(-22|27|-2) und als Spitze S(-27|-11|13).
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 = ( -4-0 23-5 10-( - 2 ) ) = ( -4 18 12 ) und AC = ( -22-0 27-5 -2-( - 2 ) ) = ( -22 22 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 18 12 ) × ( -22 22 0 ) = ( 18 · 0 - 12 · 22 12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 22 - 18 · ( -22 ) ) = ( 0 -264 -264 +0 -88 +396 ) = ( -264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + 308 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

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 5 -2 ) + r ( -4 18 12 ) + s ( -22 22 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -22 22 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -22 -22 t ) für jedes t orthogonal zu ( -22 22 0 ) , denn ( -22 22 0 ) ( -22 -22 t ) =(-22)(-22) + 22(-22) + 0t = 484-484+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -4 18 12 ) ( -22 -22 t ) = 12⋅t -308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -22 -22 77 3 ) = 1 3 ( -66 -66 77 ) = 11 3 ( -6 -6 7 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -4 18 12 ) × ( -22 22 0 ) = ( 18 · 0 - 12 · 22 12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 22 - 18 · ( -22 ) ) = ( 0 -264 -264 +0 -88 +396 ) = ( -264 -264 308 )

= 44⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( -4 18 12 ) und ( -22 22 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 5 -2 ) ] ( -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(0|5|-2) erhält man
d = (-6)0 + (-6)5 + 7(-2)
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = -44

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 ( - 27 )-6 ( - 11 )+7 13+44 | ( - 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|-4|2), der Punkt C(-1|-2|3) und die Gerade g: x = ( -3 -4 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 = 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 ( t -2 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 3 ) -2-( - 4 ) 3-2 ) = ( 2 2 1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t 2 t ) × ( 2 2 1 ) = ( -2 t · 1 - 2 t · 2 2 t · 2 - t · 1 t · 2 - ( -2 t ) · 2 ) = ( -2 t -4 t 4 t - t 2 t +4 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 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 ( -3 +1 t | -4 -2 t | 2 +2 t ) ergibt
B1(1|-12|10).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +1 t | -4 -2 t | 2 +2 t ) ergibt
B2(-7|4|-6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 2 0 +2 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =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 ⋅ 15⋅15 = 112.5, 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 OS3= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅6
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 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 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:

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

S1: 5 x +2 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 0 +2 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 5 d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 5 |⋅20
d 2 = 100 | 2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 10

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -10 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-5|0) und S3(0|0|-5). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 10 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 +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 900. 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 +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 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +4 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +5 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 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 2 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 2 d 4 d 5 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.