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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(9|0|6), B(1|-4|-2) und C(4|-4|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 = ( 9 0 6 ) + ( 3 0 6 ) = ( 12 0 12 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(12|0|12).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-9 -4-0 -2-6 ) = ( -8 -4 -8 ) und AD = BC = ( 4-1 -4-( - 4 ) 4-( - 2 ) ) = ( 3 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -4 -8 ) × ( 3 0 6 ) = ( -4 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 3 - ( -8 ) · 6 -8 · 0 - ( -4 ) · 3 ) = ( -24 +0 -24 +48 0 +12 ) = ( -24 24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 12 ) | = (-24) 2 + 242 + 12 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|-1|1), B(-7|11|1) und C(4|9|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 = ( -7-9 11-( - 1 ) 1-1 ) = ( -16 12 0 ) und AC = ( 4-9 9-( - 1 ) 1-1 ) = ( -5 10 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 12 0 ) × ( -5 10 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 10 0 · ( -5 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 10 - 12 · ( -5 ) ) = ( 0+0 0+0 -160 +60 ) = ( 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(-1|5|-2), B(8|-13|4), C(15|-13|18) und D(6|5|12) und als Spitze S(-14|-4|15). 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 = ( 8-( - 1 ) -13-5 4-( - 2 ) ) = ( 9 -18 6 ) und AD = BC = ( 15-8 -13-( - 13 ) 18-4 ) = ( 7 0 14 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 -84 126 ) | = (-252) 2 + (-84)2 + 126 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 = ( -1 5 -2 ) + r ( 9 -18 6 ) + s ( 7 0 14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 0 14 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 14 t -7 ) für jedes t orthogonal zu ( 7 0 14 ) , denn ( 7 0 14 ) ( 14 t -7 ) =714 + 0t + 14(-7) = 98+0-98=0.

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

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

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

= 42⋅ ( -6 -2 3 )

Weil der Vektor ( -6 -2 3 ) orthogonal zu ( 9 -18 6 ) und ( 7 0 14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 5 -2 ) ] ( -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(-1|5|-2) erhält man
d = (-6)(-1) + (-2)5 + 3(-2)
also:

-6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = -10

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 ( - 14 )-2 ( - 4 )+3 15+10 | ( - 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-2|-5), B(1|6|3), C(6|4|7) und als Spitze S(6|1|-8).
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 = ( 1-( - 3 ) 6-( - 2 ) 3-( - 5 ) ) = ( 4 8 8 ) und AC = ( 6-( - 3 ) 4-( - 2 ) 7-( - 5 ) ) = ( 9 6 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 8 8 ) × ( 9 6 12 ) = ( 8 · 12 - 8 · 6 8 · 9 - 4 · 12 4 · 6 - 8 · 9 ) = ( 96 -48 72 -48 24 -72 ) = ( 48 24 -48 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 48 24 -48 ) | = 48 2 + 242 + (-48) 2 = 5184 = 72 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 ⋅ 72 = 36.

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 -2 -5 ) + r ( 4 8 8 ) + s ( 9 6 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 4 8 8 ) × ( 9 6 12 ) = ( 8 · 12 - 8 · 6 8 · 9 - 4 · 12 4 · 6 - 8 · 9 ) = ( 96 -48 72 -48 24 -72 ) = ( 48 24 -48 ) = 24⋅ ( 2 1 -2 )

Weil der Vektor ( 2 1 -2 ) orthogonal zu ( 4 8 8 ) und ( 9 6 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -2 -5 ) ] ( 2 1 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 + x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-2|-5) erhält man
d = 2(-3) + 1(-2) + (-2)(-5)
also:

2 x 1 + x 2 -2 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 = | 2 6+1 1-2 ( - 8 )-2 | 2 2 + 1 2 + ( - 2 ) 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 · 36 · 9 = 108

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|-4|11), der Punkt C(7|3|7) und die Gerade g: x = ( 2 -4 11 ) +t ( 1 2 -2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 9 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 ( t 2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 7-2 3-( - 4 ) 7-11 ) = ( 5 7 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t 2 t -2 t ) × ( 5 7 -4 ) = ( 2 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · 7 -2 t · 5 - t · ( -4 ) t · 7 - 2 t · 5 ) = ( -8 t +14 t -10 t +4 t 7 t -10 t ) = ( 6 t -6 t -3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t -6 t -3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 9 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 9 |⋅2

| 9t | = 18

1. Fall

9t = 18 |: 9

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +1 t | -4 +2 t | 11 -2 t ) ergibt
B1(4|0|7).

2. Fall

- 9t = 18 |: -9

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +1 t | -4 +2 t | 11 -2 t ) ergibt
B2(0|-8|15).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45 .

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 +3 x 2 +5 x 3 = 45 ein.

S1: 3 x +3 0 +5 0 = 45 => x= 45 3 =15, also S1(15|0|0)
S2: 3 0 +3 y +5 0 = 45 => y= 45 3 =15, also S2(0|15|0)
S3: 3 0 +3 0 +5 z = 45 => z= 45 5 =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 ⋅ 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅9
=337.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 24. 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 +3 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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

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

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 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: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 495. 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 +5 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 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +3 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +3 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 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 3 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 3 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 495 |⋅180
d 3 = 89100 | 3
d = 89100 3

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 45

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -45 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-22|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 45 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.