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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-3|-1|-5), B(-35|3|11) und C(-4|7|-9) 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 = ( -3 -1 -5 ) + ( 31 4 -20 ) = ( 28 3 -25 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(28|3|-25).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -35-( - 3 ) 3-( - 1 ) 11-( - 5 ) ) = ( -32 4 16 ) und AD = BC = ( -4-( - 35 ) 7-3 -9-11 ) = ( 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|11|-2), B(1|3|6) und C(2|7|5).

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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 ) 3-11 6-( - 2 ) ) = ( 4 -8 8 ) und AC = ( 2-( - 3 ) 7-11 5-( - 2 ) ) = ( 5 -4 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -8 8 ) × ( 5 -4 7 ) = ( -8 · 7 - 8 · ( -4 ) 8 · 5 - 4 · 7 4 · ( -4 ) - ( -8 ) · 5 ) = ( -56 +32 40 -28 -16 +40 ) = ( -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(-1|-2|5), B(-13|-6|-1), C(-7|-18|-5) und D(5|-14|1) und als Spitze S(8|1|-15). 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 = ( -13-( - 1 ) -6-( - 2 ) -1-5 ) = ( -12 -4 -6 ) und AD = BC = ( -7-( - 13 ) -18-( - 6 ) -5-( - 1 ) ) = ( 6 -12 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -4 -6 ) × ( 6 -12 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -12 ) -6 · 6 - ( -12 ) · ( -4 ) -12 · ( -12 ) - ( -4 ) · 6 ) = ( 16 -72 -36 -48 144 +24 ) = ( -56 -84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -84 168 ) | = (-56) 2 + (-84)2 + 168 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

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 -2 5 ) + r ( -12 -4 -6 ) + s ( 6 -12 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -12 -4 -6 ) × ( 6 -12 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -12 ) -6 · 6 - ( -12 ) · ( -4 ) -12 · ( -12 ) - ( -4 ) · 6 ) = ( 16 -72 -36 -48 144 +24 ) = ( -56 -84 168 ) = -28⋅ ( 2 3 -6 )

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

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

2 x 1 +3 x 2 -6 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 = | 2 8+3 1-6 ( - 15 )+38 | 2 2 + 3 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

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|-5|1), B(14|-17|1), C(22|-11|1) und als Spitze S(9|-2|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 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 = ( 14-5 -17-( - 5 ) 1-1 ) = ( 9 -12 0 ) und AC = ( 22-5 -11-( - 5 ) 1-1 ) = ( 17 -6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 -12 0 ) × ( 17 -6 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · 17 - 9 · 0 9 · ( -6 ) - ( -12 ) · 17 ) = ( 0+0 0+0 -54 +204 ) = ( 0 0 150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 -5 1 ) + r ( 9 -12 0 ) + s ( 17 -6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 9 -12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 9 t ) für jedes t orthogonal zu ( 9 -12 0 ) , denn ( 9 -12 0 ) ( 12 9 t ) =912 + (-12)9 + 0t = 108-108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 17 -6 0 ) ( 12 9 t ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 12 9 - 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 -12 0 ) × ( 17 -6 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · 17 - 9 · 0 9 · ( -6 ) - ( -12 ) · 17 ) = ( 0+0 0+0 -54 +204 ) = ( 0 0 150 )

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 9 -12 0 ) und ( 17 -6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 -5 1 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|-5|1) erhält man
d = 05 + 0(-5) + 11
also:

+ x 3 = 1

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 9+0 ( - 2 )+1 4-1 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-1|0|-5), der Punkt C(-3|-3|1) und die Gerade g: x = ( -1 0 -5 ) +t ( -3 6 2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 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 6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 1 ) -3-0 1-( - 5 ) ) = ( -2 -3 6 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t 6 t 2 t ) × ( -2 -3 6 ) = ( 6 t · 6 - 2 t · ( -3 ) 2 t · ( -2 ) - ( -3 t ) · 6 -3 t · ( -3 ) - 6 t · ( -2 ) ) = ( 36 t +6 t -4 t +18 t 9 t +12 t ) = ( 42 t 14 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 42 t 14 t 21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -3 t | 0 +6 t | -5 +2 t ) ergibt
B1(-13|24|3).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -3 t | 0 +6 t | -5 +2 t ) ergibt
B2(11|-24|-13).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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 +2 x 2 + x 3 = 12 ein.

S1: 3 x +2 0 +1 0 = 12 => x= 12 3 =4, also S1(4|0|0)
S2: 3 0 +2 y +1 0 = 12 => y= 12 2 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 0 +2 0 +1 z = 12 => z=12=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 ⋅ 4⋅6 = 12, 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 ⋅12⋅12
=48

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +4 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 0 +4 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 2 d 4 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 4 |⋅16
d 2 = 64 | 2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 8

Aber auch E2: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -8 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 8 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 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 1200. 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:

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

S1: 5 x +2 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 0 +2 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 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 3 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 3 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 1200 |⋅180
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 60

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.