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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-4|-2|4), B(12|-6|-28) und C(-8|-10|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 = ( -4 -2 4 ) + ( -20 -4 31 ) = ( -24 -6 35 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-24|-6|35).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 12-( - 4 ) -6-( - 2 ) -28-4 ) = ( 16 -4 -32 ) und AD = BC = ( -8-12 -10-( - 6 ) 3-( - 28 ) ) = ( -20 -4 31 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 144 -144 ) | = (-252) 2 + 1442 + (-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(0|-3|-2), B(-4|-11|-10) und C(-3|-6|-2).

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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 -11-( - 3 ) -10-( - 2 ) ) = ( -4 -8 -8 ) und AC = ( -3-0 -6-( - 3 ) -2-( - 2 ) ) = ( -3 -3 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 -12 ) | = (-24) 2 + 242 + (-12) 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(-4|-2|-2), B(8|-2|7), C(6|-2|18) und D(-6|-2|9) und als Spitze S(-3|1|5). 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 = ( 8-( - 4 ) -2-( - 2 ) 7-( - 2 ) ) = ( 12 0 9 ) und AD = BC = ( 6-8 -2-( - 2 ) 18-7 ) = ( -2 0 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 9 ) × ( -2 0 11 ) = ( 0 · 11 - 9 · 0 9 · ( -2 ) - 12 · 11 12 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 -18 -132 0+0 ) = ( 0 -150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -150 0 ) | = 0 2 + (-150)2 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 = ( -4 -2 -2 ) + r ( 12 0 9 ) + s ( -2 0 11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 0 9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 9 t -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 12 0 9 ) , denn ( 12 0 9 ) ( 9 t -12 ) =129 + 0t + 9(-12) = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 0 11 ) ( 9 t -12 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 0 9 ) × ( -2 0 11 ) = ( 0 · 11 - 9 · 0 9 · ( -2 ) - 12 · 11 12 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 -18 -132 0+0 ) = ( 0 -150 0 )

= -150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 9 ) und ( -2 0 11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 -2 -2 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-2|-2) erhält man
d = 0(-4) + 1(-2) + 0(-2)
also:

+ x 2 = -2

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 )+1 1+0 5+2 | 0 2 + 1 2 + 0 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(6|-4|11), B(0|5|-7), C(-14|12|-7) und als Spitze S(7|19|14).
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 = ( 0-6 5-( - 4 ) -7-11 ) = ( -6 9 -18 ) und AC = ( -14-6 12-( - 4 ) -7-11 ) = ( -20 16 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 9 -18 ) × ( -20 16 -18 ) = ( 9 · ( -18 ) - ( -18 ) · 16 -18 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -18 ) -6 · 16 - 9 · ( -20 ) ) = ( -162 +288 360 -108 -96 +180 ) = ( 126 252 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 126 252 84 ) | = 126 2 + 2522 + 84 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 -4 11 ) + r ( -6 9 -18 ) + s ( -20 16 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 9 -18 ) × ( -20 16 -18 ) = ( 9 · ( -18 ) - ( -18 ) · 16 -18 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -18 ) -6 · 16 - 9 · ( -20 ) ) = ( -162 +288 360 -108 -96 +180 ) = ( 126 252 84 ) = 42⋅ ( 3 6 2 )

Weil der Vektor ( 3 6 2 ) orthogonal zu ( -6 9 -18 ) und ( -20 16 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 6 -4 11 ) ] ( 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(6|-4|11) erhält man
d = 36 + 6(-4) + 211
also:

3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = 16

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 7+6 19+2 14-16 | 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 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-10|18|-1), der Punkt C(-6|1|9) und die Gerade g: x = ( -10 18 -1 ) +t ( 4 -8 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 = 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 ( 4 t -8 t t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 10 ) 1-18 9-( - 1 ) ) = ( 4 -17 10 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t -8 t t ) × ( 4 -17 10 ) = ( -8 t · 10 - t · ( -17 ) t · 4 - 4 t · 10 4 t · ( -17 ) - ( -8 t ) · 4 ) = ( -80 t +17 t 4 t -40 t -68 t +32 t ) = ( -63 t -36 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -63 t -36 t -36 t ) | = 3969 t 2 +1296 t 2 +1296 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 ( -10 +4 t | 18 -8 t | -1 +1 t ) ergibt
B1(10|-22|4).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -10 +4 t | 18 -8 t | -1 +1 t ) ergibt
B2(-30|58|-6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +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 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 12 ein.

S1: 4 x +2 0 +2 0 = 12 => x= 6 4 =1.5, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +2 y +2 0 = 12 => y= 6 2 =3, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +2 0 +2 z = 12 => z= 6 2 =3, 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 ⋅ 3⋅6 = 9, 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 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 1 x +2 0 +3 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 1 0 +2 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 3 )

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 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 3 |⋅12
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 6

Aber auch E2: x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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 +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 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +2 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 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 2 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 2 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +2 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|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.