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(-12|1|-4), B(20|-3|12) und C(-3|-8|-4) 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 → = ( -12 1 -4 ) + ( -23 -5 -16 ) = ( -35 -4 -20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-35|-4|-20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( 20-( - 12 ) -3-1 12-( - 4 ) ) = ( 32 -4 16 ) und AD → = BC → = ( -3-20 -8-( - 3 ) -4-12 ) = ( -23 -5 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 32 -4 16 ) × ( -23 -5 -16 ) = ( -4 · ( -16 ) - 16 · ( -5 ) 16 · ( -23 ) - 32 · ( -16 ) 32 · ( -5 ) - ( -4 ) · ( -23 ) ) = ( 64 +80 -368 +512 -160 -92 ) = ( 144 144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 144 -252 ) | = 144 2 + 1442 + (-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(-1|11|-1), B(-5|-21|15) und C(-10|2|-1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( -5-( - 1 ) -21-11 15-( - 1 ) ) = ( -4 -32 16 ) und AC → = ( -10-( - 1 ) 2-11 -1-( - 1 ) ) = ( -9 -9 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 -32 16 ) × ( -9 -9 0 ) = ( -32 · 0 - 16 · ( -9 ) 16 · ( -9 ) - ( -4 ) · 0 -4 · ( -9 ) - ( -32 ) · ( -9 ) ) = ( 0 +144 -144 +0 36 -288 ) = ( 144 -144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 -144 -252 ) | = 144 2 + (-144)2 + (-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(-4|-2|-10), B(20|-10|26), C(14|-30|39) und D(-10|-22|3) und als Spitze S(17|-31|-17). 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 → = ( 20-( - 4 ) -10-( - 2 ) 26-( - 10 ) ) = ( 24 -8 36 ) und AD → = BC → = ( 14-20 -30-( - 10 ) 39-26 ) = ( -6 -20 13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 24 -8 36 ) × ( -6 -20 13 ) = ( -8 · 13 - 36 · ( -20 ) 36 · ( -6 ) - 24 · 13 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) ) = ( -104 +720 -216 -312 -480 -48 ) = ( 616 -528 -528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 616 -528 -528 ) | = 616 2 + (-528)2 + (-528) 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 968.

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 -2 -10 ) + r ⋅ ( 24 -8 36 ) + s ⋅ ( -6 -20 13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 24 -8 36 ) × ( -6 -20 13 ) = ( -8 · 13 - 36 · ( -20 ) 36 · ( -6 ) - 24 · 13 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) ) = ( -104 +720 -216 -312 -480 -48 ) = ( 616 -528 -528 ) = 88⋅ ( 7 -6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 -6 ) orthogonal zu ( 24 -8 36 ) und ( -6 -20 13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -4 -2 -10 ) ] ∘ ( 7 -6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-2|-10) erhält man
d = 7⋅(-4) + (-6)⋅(-2) + (-6)⋅(-10)
also:

7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 44

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 = | 7 ⋅ 17-6 ⋅ ( - 31 )-6 ⋅ ( - 17 )-44 | 7 2 + ( - 6 ) 2 + ( - 6 ) 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|5|3), B(-10|1|-15), C(2|-17|-19) und als Spitze S(29|14|-17).
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 → = ( -10-2 1-5 -15-3 ) = ( -12 -4 -18 ) und AC → = ( 2-2 -17-5 -19-3 ) = ( 0 -22 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 -4 -18 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -4 · ( -22 ) - ( -18 ) · ( -22 ) -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 ) = ( 88 -396 0 -264 264 +0 ) = ( -308 -264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -308 -264 264 ) | = (-308) 2 + (-264)2 + 264 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

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 → = ( 2 5 3 ) + r ⋅ ( -12 -4 -18 ) + s ⋅ ( 0 -22 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -22 -22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 22 -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -22 -22 ) , denn ( 0 -22 -22 ) ∘ ( t 22 -22 ) =0⋅t + (-22)⋅22 + (-22)⋅(-22) = 0-484+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -12 -4 -18 ) ⋅ ( t 22 -22 ) = -12⋅t +308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( 77 3 22 -22 ) = 1 3 ⋅ ( 77 66 -66 ) = 11 3 ⋅ ( 7 6 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -12 -4 -18 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -4 · ( -22 ) - ( -18 ) · ( -22 ) -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 ) = ( 88 -396 0 -264 264 +0 ) = ( -308 -264 264 )

= -44⋅ ( 7 6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 6 -6 ) orthogonal zu ( -12 -4 -18 ) und ( 0 -22 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 2 5 3 ) ] ∘ ( 7 6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|5|3) erhält man
d = 7⋅2 + 6⋅5 + (-6)⋅3
also:

7 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = 26

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 = | 7 ⋅ 29+6 ⋅ 14-6 ⋅ ( - 17 )-26 | 7 2 + 6 2 + ( - 6 ) 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-12|3|7), der Punkt C(-3|-6|7) und die Gerade g: x → = ( -12 3 7 ) +t⋅ ( 8 -1 -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 = 121,5 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 ( 8 t -1 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -3-( - 12 ) -6-3 7-7 ) = ( 9 -9 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 t -1 t -4 t ) × ( 9 -9 0 ) = ( - t · 0 - ( -4 t ) · ( -9 ) -4 t · 9 - 8 t · 0 8 t · ( -9 ) - ( - t ) · 9 ) = ( 0 -36 t -36 t +0 -72 t +9 t ) = ( -36 t -36 t -63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -36 t -36 t -63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -12 +8 t | 3 -1 t | 7 -4 t ) ergibt
B1(12|0|-5).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -12 +8 t | 3 -1 t | 7 -4 t ) ergibt
B2(-36|6|19).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 ⋅ x +2⋅ 0 +4⋅ 0 = 12 => x= 6 2 =3, also S1(6|0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +2⋅ y +4⋅ 0 = 12 => y= 6 2 =3, also S2(0|6|0)
S3: 2 ⋅ 0 +2⋅ 0 +4⋅ z = 12 => z= 6 4 =1.5, 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 ⋅ 6⋅6 = 18, 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 ⋅18⋅3
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

S1: 3 ⋅ x +1⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +1⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 ⋅ 0 +1⋅ 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 3 ⋅ d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 3 |⋅12
d 2 = 36 | ⋅2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

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

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

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

5 x 1 +2 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 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 )

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 5 ⋅ d 2 , 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 5 ⋅ d 2 ⋅ 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: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30

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

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