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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|-4|-5), B(31|12|-1) und C(0|-8|3) 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 = ( -1 -4 -5 ) + ( -31 -20 4 ) = ( -32 -24 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-32|-24|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 31-( - 1 ) 12-( - 4 ) -1-( - 5 ) ) = ( 32 16 4 ) und AD = BC = ( 0-31 -8-12 3-( - 1 ) ) = ( -31 -20 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 16 4 ) × ( -31 -20 4 ) = ( 16 · 4 - 4 · ( -20 ) 4 · ( -31 ) - 32 · 4 32 · ( -20 ) - 16 · ( -31 ) ) = ( 64 +80 -124 -128 -640 +496 ) = ( 144 -252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 -144 ) | = 144 2 + (-252)2 + (-144) 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(-8|1|13), B(-24|-3|45) und C(0|-6|6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -24-( - 8 ) -3-1 45-13 ) = ( -16 -4 32 ) und AC = ( 0-( - 8 ) -6-1 6-13 ) = ( 8 -7 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -4 32 ) × ( 8 -7 -7 ) = ( -4 · ( -7 ) - 32 · ( -7 ) 32 · 8 - ( -16 ) · ( -7 ) -16 · ( -7 ) - ( -4 ) · 8 ) = ( 28 +224 256 -112 112 +32 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(1|0|-8), B(9|-12|16), C(23|-19|16) und D(15|-7|-8) und als Spitze S(18|13|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 = ( 9-1 -12-0 16-( - 8 ) ) = ( 8 -12 24 ) und AD = BC = ( 23-9 -19-( - 12 ) 16-16 ) = ( 14 -7 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -12 24 ) × ( 14 -7 0 ) = ( -12 · 0 - 24 · ( -7 ) 24 · 14 - 8 · 0 8 · ( -7 ) - ( -12 ) · 14 ) = ( 0 +168 336 +0 -56 +168 ) = ( 168 336 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 336 112 ) | = 168 2 + 3362 + 112 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 0 -8 ) + r ( 8 -12 24 ) + s ( 14 -7 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 14 -7 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 7 14 t ) für jedes t orthogonal zu ( 14 -7 0 ) , denn ( 14 -7 0 ) ( 7 14 t ) =147 + (-7)14 + 0t = 98-98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 -12 24 ) ( 7 14 t ) = 24⋅t -112 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 7 14 14 3 ) = 1 3 ( 21 42 14 ) = 7 3 ( 3 6 2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 8 -12 24 ) × ( 14 -7 0 ) = ( -12 · 0 - 24 · ( -7 ) 24 · 14 - 8 · 0 8 · ( -7 ) - ( -12 ) · 14 ) = ( 0 +168 336 +0 -56 +168 ) = ( 168 336 112 )

= 56⋅ ( 3 6 2 )

Weil der Vektor ( 3 6 2 ) orthogonal zu ( 8 -12 24 ) und ( 14 -7 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 0 -8 ) ] ( 3 6 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|0|-8) erhält man
d = 31 + 60 + 2(-8)
also:

3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = -13

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 18+6 13+2 1+13 | 3 2 + 6 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(6|-3|5), B(3|3|-1), C(-2|1|-5) und als Spitze S(-3|0|8).
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 = ( 3-6 3-( - 3 ) -1-5 ) = ( -3 6 -6 ) und AC = ( -2-6 1-( - 3 ) -5-5 ) = ( -8 4 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 6 -6 ) × ( -8 4 -10 ) = ( 6 · ( -10 ) - ( -6 ) · 4 -6 · ( -8 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · 4 - 6 · ( -8 ) ) = ( -60 +24 48 -30 -12 +48 ) = ( -36 18 36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 18 36 ) | = (-36) 2 + 182 + 36 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 = ( 6 -3 5 ) + r ( -3 6 -6 ) + s ( -8 4 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 6 -6 ) × ( -8 4 -10 ) = ( 6 · ( -10 ) - ( -6 ) · 4 -6 · ( -8 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · 4 - 6 · ( -8 ) ) = ( -60 +24 48 -30 -12 +48 ) = ( -36 18 36 ) = 18⋅ ( -2 1 2 )

Weil der Vektor ( -2 1 2 ) orthogonal zu ( -3 6 -6 ) und ( -8 4 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 6 -3 5 ) ] ( -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(6|-3|5) erhält man
d = (-2)6 + 1(-3) + 25
also:

-2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -5

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 ( - 3 )+1 0+2 8+5 | ( - 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|-5|9), der Punkt C(7|0|7) und die Gerade g: x = ( 3 -5 9 ) +t ( 1 2 -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 = 9 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 2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 7-3 0-( - 5 ) 7-9 ) = ( 4 5 -2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t 2 t -2 t ) × ( 4 5 -2 ) = ( 2 t · ( -2 ) - ( -2 t ) · 5 -2 t · 4 - t · ( -2 ) t · 5 - 2 t · 4 ) = ( -4 t +10 t -8 t +2 t 5 t -8 t ) = ( 6 t -6 t -3 t ) .

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

| 9t | = 18

1. Fall

9t = 18 |: 9

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +1 t | -5 +2 t | 9 -2 t ) ergibt
B1(5|-1|5).

2. Fall

- 9t = 18 |: -9

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +1 t | -5 +2 t | 9 -2 t ) ergibt
B2(1|-9|13).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +5 0 +5 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +5 y +5 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +5 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =6, also S3(0|0|6)

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 ⋅ 15⋅6 = 45, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅45⋅6
=90

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 80. 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 +5 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 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 80 |⋅20
d 2 = 1600 | 2
d1 = - 1600 = -40
d2 = 1600 = 40

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 40

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -40 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 40 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 +5 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 360. 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 +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 4 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +5 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 4 0 +5 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 4 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 5 d 5 = d 3 600

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 600 d 3 = 360 |⋅600
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 60

Aber auch E2: 4 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.