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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-3|4), B(-6|5|0) und C(2|0|1) 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 = ( 2 -3 4 ) + ( 8 -5 1 ) = ( 10 -8 5 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(10|-8|5).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 5-( - 3 ) 0-4 ) = ( -8 8 -4 ) und AD = BC = ( 2-( - 6 ) 0-5 1-0 ) = ( 8 -5 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 8 -4 ) × ( 8 -5 1 ) = ( 8 · 1 - ( -4 ) · ( -5 ) -4 · 8 - ( -8 ) · 1 -8 · ( -5 ) - 8 · 8 ) = ( 8 -20 -32 +8 40 -64 ) = ( -12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + (-24) 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(-5|-14|0), B(19|22|8) und C(-5|-3|11).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 19-( - 5 ) 22-( - 14 ) 8-0 ) = ( 24 36 8 ) und AC = ( -5-( - 5 ) -3-( - 14 ) 11-0 ) = ( 0 11 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 36 8 ) × ( 0 11 11 ) = ( 36 · 11 - 8 · 11 8 · 0 - 24 · 11 24 · 11 - 36 · 0 ) = ( 396 -88 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(0|-2|-9), B(-9|-8|9), C(-16|-22|9) und D(-7|-16|-9) und als Spitze S(-23|-1|-12). 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 = ( -9-0 -8-( - 2 ) 9-( - 9 ) ) = ( -9 -6 18 ) und AD = BC = ( -16-( - 9 ) -22-( - 8 ) 9-9 ) = ( -7 -14 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -126 84 ) | = 252 2 + (-126)2 + 84 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 = ( 0 -2 -9 ) + r ( -9 -6 18 ) + 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 + (-14)(-7) + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -9 -6 18 ) ( 14 -7 t ) = 18⋅t -84 = 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 = ( -9 -6 18 ) × ( -7 -14 0 ) = ( -6 · 0 - 18 · ( -14 ) 18 · ( -7 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -7 ) ) = ( 0 +252 -126 +0 126 -42 ) = ( 252 -126 84 )

= -42⋅ ( -6 3 -2 )

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

-6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = 12

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 ( - 23 )+3 ( - 1 )-2 ( - 12 )-12 | ( - 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|7|1), B(3|-17|13), C(17|-17|20) und als Spitze S(12|-2|-12).
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 = ( 3-( - 5 ) -17-7 13-1 ) = ( 8 -24 12 ) und AC = ( 17-( - 5 ) -17-7 20-1 ) = ( 22 -24 19 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -24 12 ) × ( 22 -24 19 ) = ( -24 · 19 - 12 · ( -24 ) 12 · 22 - 8 · 19 8 · ( -24 ) - ( -24 ) · 22 ) = ( -456 +288 264 -152 -192 +528 ) = ( -168 112 336 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 112 336 ) | = (-168) 2 + 1122 + 336 2 = 153664 = 392 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 ⋅ 392 = 196.

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 = ( -5 7 1 ) + r ( 8 -24 12 ) + s ( 22 -24 19 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 -24 12 ) × ( 22 -24 19 ) = ( -24 · 19 - 12 · ( -24 ) 12 · 22 - 8 · 19 8 · ( -24 ) - ( -24 ) · 22 ) = ( -456 +288 264 -152 -192 +528 ) = ( -168 112 336 ) = -56⋅ ( 3 -2 -6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 -6 ) orthogonal zu ( 8 -24 12 ) und ( 22 -24 19 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 7 1 ) ] ( 3 -2 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|7|1) erhält man
d = 3(-5) + (-2)7 + (-6)1
also:

3 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = -35

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 = | 3 12-2 ( - 2 )-6 ( - 12 )+35 | 3 2 + ( - 2 ) 2 + ( - 6 ) 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

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|7|0), der Punkt C(3|7|-3) und die Gerade g: x = ( 0 7 0 ) +t ( 2 -2 -1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 18 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 ( 2 t -2 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 3-0 7-7 -3-0 ) = ( 3 0 -3 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -2 t -1 t ) × ( 3 0 -3 ) = ( -2 t · ( -3 ) - ( - t ) · 0 - t · 3 - 2 t · ( -3 ) 2 t · 0 - ( -2 t ) · 3 ) = ( 6 t +0 -3 t +6 t 0 +6 t ) = ( 6 t 3 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t 3 t 6 t ) | = 36 t 2 +9 t 2 +36 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 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | 7 -2 t | 0 -1 t ) ergibt
B1(8|-1|-4).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | 7 -2 t | 0 -1 t ) ergibt
B2(-8|15|4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 9 .

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 + x 2 +3 x 3 = 9 ein.

S1: 3 x +1 0 +3 0 = 9 => x= 9 3 =3, also S1(3|0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = 9 => y=9=9, also S2(0|9|0)
S3: 3 0 +1 0 +3 z = 9 => z= 9 3 =3, 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 ⋅ 3⋅9 = 13.5, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅13.5⋅3
=13.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +4 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 48. 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 +3 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 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 48 |⋅12
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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:

x 1 + x 2 +5 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 x 1 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +1 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 1 d 1 , 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 1 d 5 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

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