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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|-5|2), B(29|-41|10) und C(-1|-7|11) 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 = ( 5 -5 2 ) + ( -30 34 1 ) = ( -25 29 3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-25|29|3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 29-5 -41-( - 5 ) 10-2 ) = ( 24 -36 8 ) und AD = BC = ( -1-29 -7-( - 41 ) 11-10 ) = ( -30 34 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -36 8 ) × ( -30 34 1 ) = ( -36 · 1 - 8 · 34 8 · ( -30 ) - 24 · 1 24 · 34 - ( -36 ) · ( -30 ) ) = ( -36 -272 -240 -24 816 -1080 ) = ( -308 -264 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 -264 -264 ) | = (-308) 2 + (-264)2 + (-264) 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-8|0|-10), B(4|0|6) und C(5|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 = ( 4-( - 8 ) 0-0 6-( - 10 ) ) = ( 12 0 16 ) und AC = ( 5-( - 8 ) 0-0 -1-( - 10 ) ) = ( 13 0 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 16 ) × ( 13 0 9 ) = ( 0 · 9 - 16 · 0 16 · 13 - 12 · 9 12 · 0 - 0 · 13 ) = ( 0+0 208 -108 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 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(-1|1|-1), B(17|28|5), C(5|32|23) und D(-13|5|17) und als Spitze S(14|-15|26). 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 = ( 17-( - 1 ) 28-1 5-( - 1 ) ) = ( 18 27 6 ) und AD = BC = ( 5-17 32-28 23-5 ) = ( -12 4 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 27 6 ) × ( -12 4 18 ) = ( 27 · 18 - 6 · 4 6 · ( -12 ) - 18 · 18 18 · 4 - 27 · ( -12 ) ) = ( 486 -24 -72 -324 72 +324 ) = ( 462 -396 396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 462 -396 396 ) | = 462 2 + (-396)2 + 396 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 1 -1 ) + r ( 18 27 6 ) + s ( -12 4 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 27 6 ) × ( -12 4 18 ) = ( 27 · 18 - 6 · 4 6 · ( -12 ) - 18 · 18 18 · 4 - 27 · ( -12 ) ) = ( 486 -24 -72 -324 72 +324 ) = ( 462 -396 396 ) = 66⋅ ( 7 -6 6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 6 ) orthogonal zu ( 18 27 6 ) und ( -12 4 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 1 -1 ) ] ( 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(-1|1|-1) erhält man
d = 7(-1) + (-6)1 + 6(-1)
also:

7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = -19

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 14-6 ( - 15 )+6 26+19 | 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-4|0|4), B(4|-16|2), C(-4|-18|-14) und als Spitze S(13|11|-16).
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 = ( 4-( - 4 ) -16-0 2-4 ) = ( 8 -16 -2 ) und AC = ( -4-( - 4 ) -18-0 -14-4 ) = ( 0 -18 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -16 -2 ) × ( 0 -18 -18 ) = ( -16 · ( -18 ) - ( -2 ) · ( -18 ) -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( 288 -36 0 +144 -144 +0 ) = ( 252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 -144 ) | = 252 2 + 1442 + (-144) 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.

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 = ( -4 0 4 ) + r ( 8 -16 -2 ) + s ( 0 -18 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -18 -18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 18 -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -18 -18 ) , denn ( 0 -18 -18 ) ( t 18 -18 ) =0t + (-18)18 + (-18)(-18) = 0-324+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 -16 -2 ) ( t 18 -18 ) = 8⋅t -252 = 0 wird, also t= 63 2 = 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 63 2 18 -18 ) = 1 2 ( 63 36 -36 ) = 9 2 ( 7 4 -4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 8 -16 -2 ) × ( 0 -18 -18 ) = ( -16 · ( -18 ) - ( -2 ) · ( -18 ) -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( 288 -36 0 +144 -144 +0 ) = ( 252 144 -144 )

= 36⋅ ( 7 4 -4 )

Weil der Vektor ( 7 4 -4 ) orthogonal zu ( 8 -16 -2 ) und ( 0 -18 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 0 4 ) ] ( 7 4 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|0|4) erhält man
d = 7(-4) + 40 + (-4)4
also:

7 x 1 +4 x 2 -4 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 13+4 11-4 ( - 16 )+44 | 7 2 + 4 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-1|17|-3), der Punkt C(-11|0|1) und die Gerade g: x = ( -1 17 -3 ) +t ( -1 -8 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 = 202,5 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 ( -1 t -8 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -11-( - 1 ) 0-17 1-( - 3 ) ) = ( -10 -17 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t -8 t 4 t ) × ( -10 -17 4 ) = ( -8 t · 4 - 4 t · ( -17 ) 4 t · ( -10 ) - ( - t ) · 4 - t · ( -17 ) - ( -8 t ) · ( -10 ) ) = ( -32 t +68 t -40 t +4 t 17 t -80 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 202,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 202,5 |⋅2

| 81t | = 405

1. Fall

81t = 405 |: 81

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -1 t | 17 -8 t | -3 +4 t ) ergibt
B1(-6|-23|17).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -1 t | 17 -8 t | -3 +4 t ) ergibt
B2(4|57|-23).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 .

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 +5 x 2 +4 x 3 = 60 ein.

S1: 3 x +5 0 +4 0 = 60 => x= 60 3 =20, also S1(20|0|0)
S2: 3 0 +5 y +4 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 3 0 +5 0 +4 z = 60 => z= 60 4 =15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 20⋅12 = 120, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅120⋅15
=600

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +5 x 2 +4 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 600. 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 +5 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 3 d 4 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 600 |⋅24
d 2 = 14400 | 2
d1 = - 14400 = -120
d2 = 14400 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 120

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-40|0|0), S2(0|-24|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 120 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 150. 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 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

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