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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-15|27|7), B(1|-5|3) und C(-7|2|-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 = ( -15 27 7 ) + ( -8 7 -7 ) = ( -23 34 0 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-23|34|0).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-( - 15 ) -5-27 3-7 ) = ( 16 -32 -4 ) und AD = BC = ( -7-1 2-( - 5 ) -4-3 ) = ( -8 7 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -32 -4 ) × ( -8 7 -7 ) = ( -32 · ( -7 ) - ( -4 ) · 7 -4 · ( -8 ) - 16 · ( -7 ) 16 · 7 - ( -32 ) · ( -8 ) ) = ( 224 +28 32 +112 112 -256 ) = ( 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(0|4|-7), B(-8|0|1) und C(-2|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 = ( -8-0 0-4 1-( - 7 ) ) = ( -8 -4 8 ) und AC = ( -2-0 0-4 -2-( - 7 ) ) = ( -2 -4 5 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 24 ) | = 12 2 + 242 + 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(5|6|2), B(-11|-6|2), C(-9|-17|2) und D(7|-5|2) und als Spitze S(4|-1|5). 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 = ( -11-5 -6-6 2-2 ) = ( -16 -12 0 ) und AD = BC = ( -9-( - 11 ) -17-( - 6 ) 2-2 ) = ( 2 -11 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 200 ) | = 0 2 + 02 + 200 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 = ( 5 6 2 ) + r ( -16 -12 0 ) + s ( 2 -11 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -16 -12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 -16 t ) für jedes t orthogonal zu ( -16 -12 0 ) , denn ( -16 -12 0 ) ( 12 -16 t ) =(-16)12 + (-12)(-16) + 0t = -192+192+0=0.

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

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

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

= 200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -16 -12 0 ) und ( 2 -11 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 6 2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|6|2) erhält man
d = 05 + 06 + 12
also:

+ x 3 = 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 = | 0 4+0 ( - 1 )+1 5-2 | 0 2 + 0 2 + 1 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|2|4), B(-4|8|-2), C(-9|12|0) und als Spitze S(2|11|7).
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-( - 1 ) 8-2 -2-4 ) = ( -3 6 -6 ) und AC = ( -9-( - 1 ) 12-2 0-4 ) = ( -8 10 -4 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 36 36 18 ) | = 36 2 + 362 + 18 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 = ( -1 2 4 ) + r ( -3 6 -6 ) + s ( -8 10 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 2 2 1 ) orthogonal zu ( -3 6 -6 ) und ( -8 10 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 2 4 ) ] ( 2 2 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +2 x 2 + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|2|4) erhält man
d = 2(-1) + 22 + 14
also:

2 x 1 +2 x 2 + x 3 = 6

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 2+2 11+1 7-6 | 2 2 + 2 2 + 1 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(2|-2|2), der Punkt C(1|-10|-2) und die Gerade g: x = ( 2 -2 2 ) +t ( -8 -1 4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 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 ( -8 t -1 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-2 -10-( - 2 ) -2-2 ) = ( -1 -8 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 t -1 t 4 t ) × ( -1 -8 -4 ) = ( - t · ( -4 ) - 4 t · ( -8 ) 4 t · ( -1 ) - ( -8 t ) · ( -4 ) -8 t · ( -8 ) - ( - t ) · ( -1 ) ) = ( 4 t +32 t -4 t -32 t 64 t - t ) = ( 36 t -36 t 63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 36 t -36 t 63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 -8 t | -2 -1 t | 2 +4 t ) ergibt
B1(-14|-4|10).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 -8 t | -2 -1 t | 2 +4 t ) ergibt
B2(18|0|-6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 x +5 0 +2 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 0 +5 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 10⋅6 = 30, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅30⋅15
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +4 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 0 +4 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 = 4 |⋅16
d 2 = 64 | 2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 8

Aber auch E2: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -8 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 8 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 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 324. 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 +3 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 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 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 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 3 d 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 324 |⋅144
d 3 = 46656 | 3
d = 46656 3 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.