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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(0|5|-3), B(-8|-3|-7) und C(-2|0|-7) 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 = ( 0 5 -3 ) + ( 6 3 0 ) = ( 6 8 -3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(6|8|-3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -8-0 -3-5 -7-( - 3 ) ) = ( -8 -8 -4 ) und AD = BC = ( -2-( - 8 ) 0-( - 3 ) -7-( - 7 ) ) = ( 6 3 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -8 -4 ) × ( 6 3 0 ) = ( -8 · 0 - ( -4 ) · 3 -4 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 3 - ( -8 ) · 6 ) = ( 0 +12 -24 +0 -24 +48 ) = ( 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(0|-7|4), B(-4|1|-4) und C(-3|-7|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 = ( -4-0 1-( - 7 ) -4-4 ) = ( -4 8 -8 ) und AC = ( -3-0 -7-( - 7 ) 1-4 ) = ( -3 0 -3 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 12 24 ) | = (-24) 2 + 122 + 24 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(5|5|-2), B(-3|-3|-6), C(-7|-1|-11) und D(1|7|-7) und als Spitze S(-4|8|1). 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 = ( -3-5 -3-5 -6-( - 2 ) ) = ( -8 -8 -4 ) und AD = BC = ( -7-( - 3 ) -1-( - 3 ) -11-( - 6 ) ) = ( -4 2 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -8 -4 ) × ( -4 2 -5 ) = ( -8 · ( -5 ) - ( -4 ) · 2 -4 · ( -4 ) - ( -8 ) · ( -5 ) -8 · 2 - ( -8 ) · ( -4 ) ) = ( 40 +8 16 -40 -16 -32 ) = ( 48 -24 -48 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 48 -24 -48 ) | = 48 2 + (-24)2 + (-48) 2 = 5184 = 72 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 72.

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 = ( 5 5 -2 ) + r ( -8 -8 -4 ) + s ( -4 2 -5 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -8 -8 -4 ) × ( -4 2 -5 ) = ( -8 · ( -5 ) - ( -4 ) · 2 -4 · ( -4 ) - ( -8 ) · ( -5 ) -8 · 2 - ( -8 ) · ( -4 ) ) = ( 40 +8 16 -40 -16 -32 ) = ( 48 -24 -48 ) = -24⋅ ( -2 1 2 )

Weil der Vektor ( -2 1 2 ) orthogonal zu ( -8 -8 -4 ) und ( -4 2 -5 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 5 -2 ) ] ( -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(5|5|-2) erhält man
d = (-2)5 + 15 + 2(-2)
also:

-2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -9

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 ( - 4 )+1 8+2 1+9 | ( - 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 · 72 · 9 = 216

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|-2|0), B(-8|14|0), C(-19|12|0) und als Spitze S(-3|-1|3).
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 = ( -8-4 14-( - 2 ) 0-0 ) = ( -12 16 0 ) und AC = ( -19-4 12-( - 2 ) 0-0 ) = ( -23 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 16 0 ) × ( -23 14 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · 14 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 14 - 16 · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 -168 +368 ) = ( 0 0 200 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 200 ) | = 0 2 + 02 + 200 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 -2 0 ) + r ( -12 16 0 ) + s ( -23 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 16 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -16 -12 t ) für jedes t orthogonal zu ( -12 16 0 ) , denn ( -12 16 0 ) ( -16 -12 t ) =(-12)(-16) + 16(-12) + 0t = 192-192+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -23 14 0 ) ( -16 -12 t ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -16 -12 - 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 16 0 ) × ( -23 14 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · 14 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 14 - 16 · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 -168 +368 ) = ( 0 0 200 )

= 200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 16 0 ) und ( -23 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -2 0 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-2|0) erhält man
d = 04 + 0(-2) + 10
also:

+ x 3 = 0

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 = | 0 ( - 3 )+0 ( - 1 )+1 3-0 | 0 2 + 0 2 + 1 2
= | 3 | 1 = 3 1 = 3

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 3.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|7|-4), der Punkt C(11|-2|-4) und die Gerade g: x = ( 2 7 -4 ) +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 ( t -8 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 11-2 -2-7 -4-( - 4 ) ) = ( 9 -9 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -8 t 4 t ) × ( 9 -9 0 ) = ( -8 t · 0 - 4 t · ( -9 ) 4 t · 9 - t · 0 t · ( -9 ) - ( -8 t ) · 9 ) = ( 0 +36 t 36 t +0 -9 t +72 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 ( 2 +1 t | 7 -8 t | -4 +4 t ) ergibt
B1(7|-33|16).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +1 t | 7 -8 t | -4 +4 t ) ergibt
B2(-3|47|-24).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 x +5 0 +2 0 = 60 => x= 60 3 =20, also S1(20|0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 3 0 +5 0 +2 z = 60 => z= 60 2 =30, also S3(0|0|30)

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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅120⋅30
=1200

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +5 x 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 10. 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 +5 x 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 +5 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +5 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 4 0 +5 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 5 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 10 |⋅40
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 + x 3 = 20

Aber auch E2: 4 x 1 +5 x 2 + x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-5|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +5 x 2 + x 3 = 20 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 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 9. 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 +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 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +4 0 +2 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 4 0 +4 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 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 2 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 2 = d 3 192

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 192 d 3 = 9 |⋅192
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +4 x 2 +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|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.