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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|5|9), B(3|-7|-7) und C(3|-5|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 → = ( 3 5 9 ) + ( 0 2 11 ) = ( 3 7 20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(3|7|20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( 3-3 -7-5 -7-9 ) = ( 0 -12 -16 ) und AD → = BC → = ( 3-3 -5-( - 7 ) 4-( - 7 ) ) = ( 0 2 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -12 -16 ) × ( 0 2 11 ) = ( -12 · 11 - ( -16 ) · 2 -16 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -12 ) · 0 ) = ( -132 +32 0+0 0+0 ) = ( -100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -100 0 0 ) | = (-100) 2 + 02 + 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(5|-1|1), B(-7|15|1) und C(-2|0|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 → = ( -7-5 15-( - 1 ) 1-1 ) = ( -12 16 0 ) und AC → = ( -2-5 0-( - 1 ) 1-1 ) = ( -7 1 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 16 0 ) × ( -7 1 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · 1 0 · ( -7 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 1 - 16 · ( -7 ) ) = ( 0+0 0+0 -12 +112 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-4|-1|0), B(-13|-1|-12), C(-21|-1|-6) und D(-12|-1|6) und als Spitze S(-8|2|3). 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-( - 4 ) -1-( - 1 ) -12-0 ) = ( -9 0 -12 ) und AD → = BC → = ( -21-( - 13 ) -1-( - 1 ) -6-( - 12 ) ) = ( -8 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -9 0 -12 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -8 ) - ( -9 ) · 6 -9 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 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 → = ( -4 -1 0 ) + r ⋅ ( -9 0 -12 ) + s ⋅ ( -8 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -9 0 -12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 t 9 ) für jedes t orthogonal zu ( -9 0 -12 ) , denn ( -9 0 -12 ) ∘ ( -12 t 9 ) =(-9)⋅(-12) + 0⋅t + (-12)⋅9 = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -8 0 6 ) ⋅ ( -12 t 9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -9 0 -12 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -8 ) - ( -9 ) · 6 -9 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -9 0 -12 ) und ( -8 0 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -4 -1 0 ) ] ∘ ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-1|0) erhält man
d = 0⋅(-4) + 1⋅(-1) + 0⋅0
also:

+ x 2 = -1

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 ⋅ ( - 8 )+1 ⋅ 2+0 ⋅ 3+1 | 0 2 + 1 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|0|-2), B(-2|12|22), C(14|4|24) und als Spitze S(15|17|-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 → = ( -2-( - 5 ) 12-0 22-( - 2 ) ) = ( 3 12 24 ) und AC → = ( 14-( - 5 ) 4-0 24-( - 2 ) ) = ( 19 4 26 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 3 12 24 ) × ( 19 4 26 ) = ( 12 · 26 - 24 · 4 24 · 19 - 3 · 26 3 · 4 - 12 · 19 ) = ( 312 -96 456 -78 12 -228 ) = ( 216 378 -216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 216 378 -216 ) | = 216 2 + 3782 + (-216) 2 = 236196 = 486 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 ⋅ 486 = 243.

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 → = ( -5 0 -2 ) + r ⋅ ( 3 12 24 ) + s ⋅ ( 19 4 26 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 3 12 24 ) × ( 19 4 26 ) = ( 12 · 26 - 24 · 4 24 · 19 - 3 · 26 3 · 4 - 12 · 19 ) = ( 312 -96 456 -78 12 -228 ) = ( 216 378 -216 ) = 54⋅ ( 4 7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 7 -4 ) orthogonal zu ( 3 12 24 ) und ( 19 4 26 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 0 -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(-5|0|-2) erhält man
d = 4⋅(-5) + 7⋅0 + (-4)⋅(-2)
also:

4 x 1 +7 x 2 -4 x 3 = -12

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 ⋅ 15+7 ⋅ 17-4 ⋅ ( - 13 )+12 | 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 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-13|-7|-5), der Punkt C(2|5|6) und die Gerade g: x → = ( -13 -7 -5 ) +t⋅ ( 6 2 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 73,5 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 ( 6 t 2 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 2-( - 13 ) 5-( - 7 ) 6-( - 5 ) ) = ( 15 12 11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 6 t 2 t 3 t ) × ( 15 12 11 ) = ( 2 t · 11 - 3 t · 12 3 t · 15 - 6 t · 11 6 t · 12 - 2 t · 15 ) = ( 22 t -36 t 45 t -66 t 72 t -30 t ) = ( -14 t -21 t 42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -14 t -21 t 42 t ) | = 196 t 2 +441 t 2 +1764 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -13 +6 t | -7 +2 t | -5 +3 t ) ergibt
B1(5|-1|4).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -13 +6 t | -7 +2 t | -5 +3 t ) ergibt
B2(-31|-13|-14).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15 .

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 x 1 + x 2 +5 x 3 = 15 ein.

S1: 1 ⋅ x +1⋅ 0 +5⋅ 0 = 15 => x=15=15, also S1(15|0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +1⋅ y +5⋅ 0 = 15 => y=15=15, also S2(0|15|0)
S3: 1 ⋅ 0 +1⋅ 0 +5⋅ z = 15 => z= 15 5 =3, 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 ⋅ 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 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 6. 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:

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

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

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 3 ⋅ d 1 = d 2 6

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 2 = 6 |⋅6
d 2 = 36 | ⋅2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

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

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

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

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

S1: 4 ⋅ x +5⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +5⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 4 ⋅ 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 4 ⋅ 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 4 ⋅ d 5 ⋅ d 2 = 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: 4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60

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

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