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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-4|-1|-2), B(28|-5|-18) und C(-3|-9|2) 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 = ( -4 -1 -2 ) + ( -31 -4 20 ) = ( -35 -5 18 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-35|-5|18).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 28-( - 4 ) -5-( - 1 ) -18-( - 2 ) ) = ( 32 -4 -16 ) und AD = BC = ( -3-28 -9-( - 5 ) 2-( - 18 ) ) = ( -31 -4 20 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 -4 -16 ) × ( -31 -4 20 ) = ( -4 · 20 - ( -16 ) · ( -4 ) -16 · ( -31 ) - 32 · 20 32 · ( -4 ) - ( -4 ) · ( -31 ) ) = ( -80 -64 496 -640 -128 -124 ) = ( -144 -144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 -144 -252 ) | = (-144) 2 + (-144)2 + (-252) 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(-3|14|-5), B(1|-18|11) und C(7|-3|-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 = ( 1-( - 3 ) -18-14 11-( - 5 ) ) = ( 4 -32 16 ) und AC = ( 7-( - 3 ) -3-14 -1-( - 5 ) ) = ( 10 -17 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -32 16 ) × ( 10 -17 4 ) = ( -32 · 4 - 16 · ( -17 ) 16 · 10 - 4 · 4 4 · ( -17 ) - ( -32 ) · 10 ) = ( -128 +272 160 -16 -68 +320 ) = ( 144 144 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 144 252 ) | = 144 2 + 1442 + 252 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-8|0|5), B(4|8|-19), C(11|22|-19) und D(-1|14|5) und als Spitze S(-21|17|-4). 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 = ( 4-( - 8 ) 8-0 -19-5 ) = ( 12 8 -24 ) und AD = BC = ( 11-4 22-8 -19-( - 19 ) ) = ( 7 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 -24 ) × ( 7 14 0 ) = ( 8 · 0 - ( -24 ) · 14 -24 · 7 - 12 · 0 12 · 14 - 8 · 7 ) = ( 0 +336 -168 +0 168 -56 ) = ( 336 -168 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 336 -168 112 ) | = 336 2 + (-168)2 + 112 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 = ( -8 0 5 ) + r ( 12 8 -24 ) + s ( 7 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 14 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -14 7 t ) für jedes t orthogonal zu ( 7 14 0 ) , denn ( 7 14 0 ) ( -14 7 t ) =7(-14) + 147 + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 8 -24 ) ( -14 7 t ) = -24⋅t -112 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 8 -24 ) × ( 7 14 0 ) = ( 8 · 0 - ( -24 ) · 14 -24 · 7 - 12 · 0 12 · 14 - 8 · 7 ) = ( 0 +336 -168 +0 168 -56 ) = ( 336 -168 112 )

= -56⋅ ( -6 3 -2 )

Weil der Vektor ( -6 3 -2 ) orthogonal zu ( 12 8 -24 ) und ( 7 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -8 0 5 ) ] ( -6 3 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-8|0|5) erhält man
d = (-6)(-8) + 30 + (-2)5
also:

-6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = 38

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 ( - 21 )+3 17-2 ( - 4 )-38 | ( - 6 ) 2 + 3 2 + ( - 2 ) 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-3|1), B(-5|24|-17), C(-23|28|-5) und als Spitze S(10|17|28).
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 = ( -5-1 24-( - 3 ) -17-1 ) = ( -6 27 -18 ) und AC = ( -23-1 28-( - 3 ) -5-1 ) = ( -24 31 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 27 -18 ) × ( -24 31 -6 ) = ( 27 · ( -6 ) - ( -18 ) · 31 -18 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -6 ) -6 · 31 - 27 · ( -24 ) ) = ( -162 +558 432 -36 -186 +648 ) = ( 396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 396 396 462 ) | = 396 2 + 3962 + 462 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 1 ) + r ( -6 27 -18 ) + s ( -24 31 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 27 -18 ) × ( -24 31 -6 ) = ( 27 · ( -6 ) - ( -18 ) · 31 -18 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -6 ) -6 · 31 - 27 · ( -24 ) ) = ( -162 +558 432 -36 -186 +648 ) = ( 396 396 462 ) = 66⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( -6 27 -18 ) und ( -24 31 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -3 1 ) ] ( 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|-3|1) erhält man
d = 61 + 6(-3) + 71
also:

6 x 1 +6 x 2 +7 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 = | 6 10+6 17+7 28+5 | 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|1|-4), der Punkt C(7|-2|-4) und die Gerade g: x = ( 3 1 -4 ) +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 = 25 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 4 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 7-3 -2-1 -4-( - 4 ) ) = ( 4 -3 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 ) × ( 4 -3 0 ) = ( 4 t · 0 - 0 · ( -3 ) 0 · 4 - 3 t · 0 3 t · ( -3 ) - 4 t · 4 ) = ( 0+0 0+0 -9 t -16 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 25 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 25 |⋅2

| 25t | = 50

1. Fall

25t = 50 |: 25

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +3 t | 1 +4 t | -4 +0 t ) ergibt
B1(9|9|-4).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +3 t | 1 +4 t | -4 +0 t ) ergibt
B2(-3|-7|-4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 36 .

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 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 36 ein.

S1: 4 x +2 0 +3 0 = 36 => x= 36 4 =9, also S1(9|0|0)
S2: 4 0 +2 y +3 0 = 36 => y= 36 2 =18, also S2(0|18|0)
S3: 4 0 +2 0 +3 z = 36 => z= 36 3 =12, also S3(0|0|12)

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 ⋅ 9⋅18 = 81, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅81⋅12
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +5 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 75. 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 +5 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 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 75 |⋅12
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 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.