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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(20|-23|-6), B(-4|13|2) und C(8|6|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 = ( 20 -23 -6 ) + ( 12 -7 7 ) = ( 32 -30 1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(32|-30|1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -4-20 13-( - 23 ) 2-( - 6 ) ) = ( -24 36 8 ) und AD = BC = ( 8-( - 4 ) 6-13 9-2 ) = ( 12 -7 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 36 8 ) × ( 12 -7 7 ) = ( 36 · 7 - 8 · ( -7 ) 8 · 12 - ( -24 ) · 7 -24 · ( -7 ) - 36 · 12 ) = ( 252 +56 96 +168 168 -432 ) = ( 308 264 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 264 -264 ) | = 308 2 + 2642 + (-264) 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|-4|-1), B(9|-12|-5) und C(-1|-5|-3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 9-1 -12-( - 4 ) -5-( - 1 ) ) = ( 8 -8 -4 ) und AC = ( -1-1 -5-( - 4 ) -3-( - 1 ) ) = ( -2 -1 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -8 -4 ) × ( -2 -1 -2 ) = ( -8 · ( -2 ) - ( -4 ) · ( -1 ) -4 · ( -2 ) - 8 · ( -2 ) 8 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -2 ) ) = ( 16 -4 8 +16 -8 -16 ) = ( 12 24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 -24 ) | = 12 2 + 242 + (-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(-3|2|-4), B(3|11|14), C(17|18|14) und D(11|9|-4) und als Spitze S(14|-11|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 = ( 3-( - 3 ) 11-2 14-( - 4 ) ) = ( 6 9 18 ) und AD = BC = ( 17-3 18-11 14-14 ) = ( 14 7 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -126 252 -84 ) | = (-126) 2 + 2522 + (-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 = ( -3 2 -4 ) + r ( 6 9 18 ) + 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 ) =14(-7) + 714 + 0t = -98+98+0=0.

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

= -42⋅ ( 3 -6 2 )

Weil der Vektor ( 3 -6 2 ) orthogonal zu ( 6 9 18 ) und ( 14 7 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 2 -4 ) ] ( 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(-3|2|-4) erhält man
d = 3(-3) + (-6)2 + 2(-4)
also:

3 x 1 -6 x 2 +2 x 3 = -29

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 14-6 ( - 11 )+2 5+29 | 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-4|2|4), B(-1|-10|28), C(15|-2|30) und als Spitze S(16|-15|-7).
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 = ( -1-( - 4 ) -10-2 28-4 ) = ( 3 -12 24 ) und AC = ( 15-( - 4 ) -2-2 30-4 ) = ( 19 -4 26 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 -12 24 ) × ( 19 -4 26 ) = ( -12 · 26 - 24 · ( -4 ) 24 · 19 - 3 · 26 3 · ( -4 ) - ( -12 ) · 19 ) = ( -312 +96 456 -78 -12 +228 ) = ( -216 378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 378 216 ) | = (-216) 2 + 3782 + 216 2 = 236196 = 486 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 ⋅ 486 = 243.

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 4 ) + r ( 3 -12 24 ) + s ( 19 -4 26 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 3 -12 24 ) × ( 19 -4 26 ) = ( -12 · 26 - 24 · ( -4 ) 24 · 19 - 3 · 26 3 · ( -4 ) - ( -12 ) · 19 ) = ( -312 +96 456 -78 -12 +228 ) = ( -216 378 216 ) = -54⋅ ( 4 -7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( 3 -12 24 ) und ( 19 -4 26 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 2 4 ) ] ( 4 -7 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|2|4) erhält man
d = 4(-4) + (-7)2 + (-4)4
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = -46

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 = | 4 16-7 ( - 15 )-4 ( - 7 )+46 | 4 2 + ( - 7 ) 2 + ( - 4 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|2|-3), der Punkt C(-4|6|2) und die Gerade g: x = ( -6 2 -3 ) +t ( 2 1 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 = 13,5 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 ( 2 t t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -4-( - 6 ) 6-2 2-( - 3 ) ) = ( 2 4 5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -3 t -6 t 6 t ) | = 9 t 2 +36 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

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

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +2 t | 2 +1 t | -3 +2 t ) ergibt
B2(-12|-1|-9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +4 0 +2 0 = 12 => x= 6 4 =1.5, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +4 y +2 0 = 12 => y= 6 4 =1.5, also S2(0|3|0)
S3: 4 0 +4 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⋅3 = 4.5, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅6
=9

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

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 1 d 2 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

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

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = 4 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 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 4050. 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:

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

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 4050 |⋅180
d 3 = 729000 | 3
d = 729000 3 = 90

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 90

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -90 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-18|0) und S3(0|0|-45). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 90 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.