nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-6|0|8), B(2|4|0) und C(-2|5|1) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 → = ( -6 0 8 ) + ( -4 1 1 ) = ( -10 1 9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-10|1|9).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( 2-( - 6 ) 4-0 0-8 ) = ( 8 4 -8 ) und AD → = BC → = ( -2-2 5-4 1-0 ) = ( -4 1 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 4 -8 ) × ( -4 1 1 ) = ( 4 · 1 - ( -8 ) · 1 -8 · ( -4 ) - 8 · 1 8 · 1 - 4 · ( -4 ) ) = ( 4 +8 32 -8 8 +16 ) = ( 12 24 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 12 24 24 ) | = 12 2 + 242 + 24 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-9|-5|0), B(-1|3|4) und C(-4|-3|4).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( -1-( - 9 ) 3-( - 5 ) 4-0 ) = ( 8 8 4 ) und AC → = ( -4-( - 9 ) -3-( - 5 ) 4-0 ) = ( 5 2 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 8 4 ) × ( 5 2 4 ) = ( 8 · 4 - 4 · 2 4 · 5 - 8 · 4 8 · 2 - 8 · 5 ) = ( 32 -8 20 -32 16 -40 ) = ( 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|10|-6), B(-8|-8|3), C(-22|-8|10) und D(-16|10|1) und als Spitze S(-1|13|17). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 → = ( -8-( - 2 ) -8-10 3-( - 6 ) ) = ( -6 -18 9 ) und AD → = BC → = ( -22-( - 8 ) -8-( - 8 ) 10-3 ) = ( -14 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -6 -18 9 ) × ( -14 0 7 ) = ( -18 · 7 - 9 · 0 9 · ( -14 ) - ( -6 ) · 7 -6 · 0 - ( -18 ) · ( -14 ) ) = ( -126 +0 -126 +42 0 -252 ) = ( -126 -84 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -126 -84 -252 ) | = (-126) 2 + (-84)2 + (-252) 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 294.

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 10 -6 ) + r ⋅ ( -6 -18 9 ) + s ⋅ ( -14 0 7 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -14 0 7 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 7 t 14 ) für jedes t orthogonal zu ( -14 0 7 ) , denn ( -14 0 7 ) ∘ ( 7 t 14 ) =(-14)⋅7 + 0⋅t + 7⋅14 = -98+0+98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -6 -18 9 ) ⋅ ( 7 t 14 ) = -18⋅t +84 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( 7 14 3 14 ) = 1 3 ⋅ ( 21 14 42 ) = 7 3 ⋅ ( 3 2 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -6 -18 9 ) × ( -14 0 7 ) = ( -18 · 7 - 9 · 0 9 · ( -14 ) - ( -6 ) · 7 -6 · 0 - ( -18 ) · ( -14 ) ) = ( -126 +0 -126 +42 0 -252 ) = ( -126 -84 -252 )

= -42⋅ ( 3 2 6 )

Weil der Vektor ( 3 2 6 ) orthogonal zu ( -6 -18 9 ) und ( -14 0 7 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -2 10 -6 ) ] ∘ ( 3 2 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|10|-6) erhält man
d = 3⋅(-2) + 2⋅10 + 6⋅(-6)
also:

3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = -22

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 = | 3 ⋅ ( - 1 )+2 ⋅ 13+6 ⋅ 17+22 | 3 2 + 2 2 + 6 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-13|1), B(13|19|-3), C(9|29|-20) und als Spitze S(-24|8|4).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 → = ( 13-( - 3 ) 19-( - 13 ) -3-1 ) = ( 16 32 -4 ) und AC → = ( 9-( - 3 ) 29-( - 13 ) -20-1 ) = ( 12 42 -21 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 16 32 -4 ) × ( 12 42 -21 ) = ( 32 · ( -21 ) - ( -4 ) · 42 -4 · 12 - 16 · ( -21 ) 16 · 42 - 32 · 12 ) = ( -672 +168 -48 +336 672 -384 ) = ( -504 288 288 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -504 288 288 ) | = (-504) 2 + 2882 + 288 2 = 419904 = 648 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 ⋅ 648 = 324.

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 -13 1 ) + r ⋅ ( 16 32 -4 ) + s ⋅ ( 12 42 -21 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 16 32 -4 ) × ( 12 42 -21 ) = ( 32 · ( -21 ) - ( -4 ) · 42 -4 · 12 - 16 · ( -21 ) 16 · 42 - 32 · 12 ) = ( -672 +168 -48 +336 672 -384 ) = ( -504 288 288 ) = 72⋅ ( -7 4 4 )

Weil der Vektor ( -7 4 4 ) orthogonal zu ( 16 32 -4 ) und ( 12 42 -21 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -3 -13 1 ) ] ∘ ( -7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-13|1) erhält man
d = (-7)⋅(-3) + 4⋅(-13) + 4⋅1
also:

-7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -27

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 = | -7 ⋅ ( - 24 )+4 ⋅ 8+4 ⋅ 4+27 | ( - 7 ) 2 + 4 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

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-11|-6|-5), der Punkt C(-1|-1|-5) und die Gerade g: x → = ( -11 -6 -5 ) +t⋅ ( 3 4 0 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 37,5 hat.

Lösung einblenden

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 ( 3 t 4 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -1-( - 11 ) -1-( - 6 ) -5-( - 5 ) ) = ( 10 5 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 3 t 4 t 0 t ) × ( 10 5 0 ) = ( 4 t · 0 - 0 · 5 0 · 10 - 3 t · 0 3 t · 5 - 4 t · 10 ) = ( 0+0 0+0 15 t -40 t ) = ( 0 0 -25 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 0 0 -25 t ) | = 0+0 +625 t 2 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 37,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 25t | = 37,5 |⋅2

| 25t | = 75

1. Fall

25t = 75 |: 25

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 +3 t | -6 +4 t | -5 +0 t ) ergibt
B1(-2|6|-5).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 +3 t | -6 +4 t | -5 +0 t ) ergibt
B2(-20|-18|-5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 .

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 +3 x 2 +2 x 3 = 18 ein.

S1: 3 ⋅ x +3⋅ 0 +2⋅ 0 = 18 => x= 18 3 =6, also S1(6|0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +3⋅ y +2⋅ 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 ⋅ 0 +3⋅ 0 +2⋅ z = 18 => z= 18 2 =9, also S3(0|0|9)

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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅9
=54

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 81. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 3 ⋅ x +1⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +1⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 ⋅ 0 +1⋅ 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 ⋅ d 1 ⋅ d 2 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 81 |⋅4
d 2 = 324 | ⋅2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-18|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 + 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: x 1 + x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 12. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 1 ⋅ x +1⋅ 0 +3⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +1⋅ y +3⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 ⋅ 0 +1⋅ 0 +3⋅ z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 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 ⋅ d 1 ⋅ 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ d 1 ⋅ d 1 ⋅ d 3 = d 3 18

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 3 = 12 |⋅18
d 3 = 216 | ⋅3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +3 x 3 = 6

Aber auch E2: x 1 + x 2 +3 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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