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(2|0|0), B(-22|8|-36) und C(8|9|-2) 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 = ( 2 0 0 ) + ( 30 1 34 ) = ( 32 1 34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(32|1|34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -22-2 8-0 -36-0 ) = ( -24 8 -36 ) und AD = BC = ( 8-( - 22 ) 9-8 -2-( - 36 ) ) = ( 30 1 34 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 8 -36 ) × ( 30 1 34 ) = ( 8 · 34 - ( -36 ) · 1 -36 · 30 - ( -24 ) · 34 -24 · 1 - 8 · 30 ) = ( 272 +36 -1080 +816 -24 -240 ) = ( 308 -264 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 -264 ) | = 308 2 + (-264)2 + (-264) 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(-1|-7|2), B(7|-15|6) und C(-5|-6|3).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 7-( - 1 ) -15-( - 7 ) 6-2 ) = ( 8 -8 4 ) und AC = ( -5-( - 1 ) -6-( - 7 ) 3-2 ) = ( -4 1 1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)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(-5|8|3), B(7|-1|3), C(5|-12|3) und D(-7|-3|3) und als Spitze S(-4|1|6). 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 = ( 7-( - 5 ) -1-8 3-3 ) = ( 12 -9 0 ) und AD = BC = ( 5-7 -12-( - 1 ) 3-3 ) = ( -2 -11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -9 0 ) × ( -2 -11 0 ) = ( -9 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · ( -11 ) - ( -9 ) · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 -132 -18 ) = ( 0 0 -150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -150 ) | = 0 2 + 02 + (-150) 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 = ( -5 8 3 ) + r ( 12 -9 0 ) + s ( -2 -11 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 -9 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 9 12 t ) für jedes t orthogonal zu ( 12 -9 0 ) , denn ( 12 -9 0 ) ( 9 12 t ) =129 + (-9)12 + 0t = 108-108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 -11 0 ) ( 9 12 t ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 -9 0 ) × ( -2 -11 0 ) = ( -9 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · ( -11 ) - ( -9 ) · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 -132 -18 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 -9 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 8 3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|8|3) erhält man
d = 0(-5) + 08 + 13
also:

+ x 3 = 3

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 6-3 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|9|11), B(7|-27|-13), C(27|-40|-7) und als Spitze S(-8|-20|32).
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 = ( 7-( - 1 ) -27-9 -13-11 ) = ( 8 -36 -24 ) und AC = ( 27-( - 1 ) -40-9 -7-11 ) = ( 28 -49 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -36 -24 ) × ( 28 -49 -18 ) = ( -36 · ( -18 ) - ( -24 ) · ( -49 ) -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -49 ) - ( -36 ) · 28 ) = ( 648 -1176 -672 +144 -392 +1008 ) = ( -528 -528 616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -528 -528 616 ) | = (-528) 2 + (-528)2 + 616 2 = 937024 = 968 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 ⋅ 968 = 484.

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 9 11 ) + r ( 8 -36 -24 ) + s ( 28 -49 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 -36 -24 ) × ( 28 -49 -18 ) = ( -36 · ( -18 ) - ( -24 ) · ( -49 ) -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -49 ) - ( -36 ) · 28 ) = ( 648 -1176 -672 +144 -392 +1008 ) = ( -528 -528 616 ) = 88⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( 8 -36 -24 ) und ( 28 -49 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 9 11 ) ] ( -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(-1|9|11) erhält man
d = (-6)(-1) + (-6)9 + 711
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 29

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 ( - 8 )-6 ( - 20 )+7 32-29 | ( - 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 · 484 · 33 = 5324

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(5|4|-2), der Punkt C(14|6|4) und die Gerade g: x = ( 5 4 -2 ) +t ( 2 9 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121 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 ( 2 t 9 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 14-5 6-4 4-( - 2 ) ) = ( 9 2 6 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t 9 t -6 t ) × ( 9 2 6 ) = ( 9 t · 6 - ( -6 t ) · 2 -6 t · 9 - 2 t · 6 2 t · 2 - 9 t · 9 ) = ( 54 t +12 t -54 t -12 t 4 t -81 t ) = ( 66 t -66 t -77 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 66 t -66 t -77 t ) | = 4356 t 2 +4356 t 2 +5929 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 +2 t | 4 +9 t | -2 -6 t ) ergibt
B1(9|22|-14).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 +2 t | 4 +9 t | -2 -6 t ) ergibt
B2(1|-14|10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅6⋅6
=12

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 x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 5. 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:

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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: 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 +5 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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:

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

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

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 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 OS2= d 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 5 d 2 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.