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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(22|15|-2), B(-10|-1|2) und C(-3|7|9) 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 = ( 22 15 -2 ) + ( 7 8 7 ) = ( 29 23 5 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(29|23|5).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -10-22 -1-15 2-( - 2 ) ) = ( -32 -16 4 ) und AD = BC = ( -3-( - 10 ) 7-( - 1 ) 9-2 ) = ( 7 8 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -32 -16 4 ) × ( 7 8 7 ) = ( -16 · 7 - 4 · 8 4 · 7 - ( -32 ) · 7 -32 · 8 - ( -16 ) · 7 ) = ( -112 -32 28 +224 -256 +112 ) = ( -144 252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 252 -144 ) | = (-144) 2 + 2522 + (-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(1|4|-9), B(13|4|-25) und C(2|4|-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 = ( 13-1 4-4 -25-( - 9 ) ) = ( 12 0 -16 ) und AC = ( 2-1 4-4 -2-( - 9 ) ) = ( 1 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 -16 ) × ( 1 0 7 ) = ( 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · 1 - 12 · 7 12 · 0 - 0 · 1 ) = ( 0+0 -16 -84 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 0 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(3|2|-1), B(-3|-10|3), C(-7|-4|15) und D(-1|8|11) und als Spitze S(19|-1|14). 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 = ( -3-3 -10-2 3-( - 1 ) ) = ( -6 -12 4 ) und AD = BC = ( -7-( - 3 ) -4-( - 10 ) 15-3 ) = ( -4 6 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 -12 4 ) × ( -4 6 12 ) = ( -12 · 12 - 4 · 6 4 · ( -4 ) - ( -6 ) · 12 -6 · 6 - ( -12 ) · ( -4 ) ) = ( -144 -24 -16 +72 -36 -48 ) = ( -168 56 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 56 -84 ) | = (-168) 2 + 562 + (-84) 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

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 = ( 3 2 -1 ) + r ( -6 -12 4 ) + s ( -4 6 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 -12 4 ) × ( -4 6 12 ) = ( -12 · 12 - 4 · 6 4 · ( -4 ) - ( -6 ) · 12 -6 · 6 - ( -12 ) · ( -4 ) ) = ( -144 -24 -16 +72 -36 -48 ) = ( -168 56 -84 ) = -28⋅ ( 6 -2 3 )

Weil der Vektor ( 6 -2 3 ) orthogonal zu ( -6 -12 4 ) und ( -4 6 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 2 -1 ) ] ( 6 -2 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|2|-1) erhält man
d = 63 + (-2)2 + 3(-1)
also:

6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = 11

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 19-2 ( - 1 )+3 14-11 | 6 2 + ( - 2 ) 2 + 3 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 · 196 · 21 = 1372

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|3|-5), B(-11|-6|-5), C(-9|-17|-5) und als Spitze S(0|-4|-2).
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 = ( -11-1 -6-3 -5-( - 5 ) ) = ( -12 -9 0 ) und AC = ( -9-1 -17-3 -5-( - 5 ) ) = ( -10 -20 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -9 0 ) × ( -10 -20 0 ) = ( -9 · 0 - 0 · ( -20 ) 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -20 ) - ( -9 ) · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 240 -90 ) = ( 0 0 150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 3 -5 ) + r ( -12 -9 0 ) + s ( -10 -20 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 ) =(-12)9 + (-9)(-12) + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -10 -20 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 ) × ( -10 -20 0 ) = ( -9 · 0 - 0 · ( -20 ) 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -20 ) - ( -9 ) · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 240 -90 ) = ( 0 0 150 )

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 -9 0 ) und ( -10 -20 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 3 -5 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|3|-5) erhält man
d = 01 + 03 + 1(-5)
also:

+ x 3 = -5

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 0+0 ( - 4 )+1 ( - 2 )+5 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|-2|-6), der Punkt C(4|-2|1) und die Gerade g: x = ( 3 -2 -6 ) +t ( 3 0 -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 = 37,5 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 ( 3 t 0 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-3 -2-( - 2 ) 1-( - 6 ) ) = ( 1 0 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t 0 t -4 t ) × ( 1 0 7 ) = ( 0 · 7 - ( -4 t ) · 0 -4 t · 1 - 3 t · 7 3 t · 0 - 0 · 1 ) = ( 0+0 -4 t -21 t 0+0 ) = ( 0 -25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 -25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +0 = 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 ( 3 +3 t | -2 +0 t | -6 -4 t ) ergibt
B1(12|-2|-18).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +3 t | -2 +0 t | -6 -4 t ) ergibt
B2(-6|-2|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 3 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 ⋅ 10⋅15 = 75, 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 ⋅75⋅6
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +4 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 36. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 4 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 36 |⋅16
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 24

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 24 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 +4 x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 18. 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 +4 x 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 +4 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +4 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +4 y +1 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 4 0 +4 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 4 d 1 = d 3 96

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 96 d 3 = 18 |⋅96
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 + x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +4 x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

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