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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|-1|-4), B(-5|-13|-20) und C(-5|-5|-1) 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 → = ( -5 -1 -4 ) + ( 0 8 19 ) = ( -5 7 15 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-5|7|15).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -5-( - 5 ) -13-( - 1 ) -20-( - 4 ) ) = ( 0 -12 -16 ) und AD → = BC → = ( -5-( - 5 ) -5-( - 13 ) -1-( - 20 ) ) = ( 0 8 19 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -12 -16 ) × ( 0 8 19 ) = ( -12 · 19 - ( -16 ) · 8 -16 · 0 - 0 · 19 0 · 8 - ( -12 ) · 0 ) = ( -228 +128 0+0 0+0 ) = ( -100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -100 0 0 ) | = (-100) 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(6|-11|3), B(-10|21|-1) und C(6|-2|-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 → = ( -10-6 21-( - 11 ) -1-3 ) = ( -16 32 -4 ) und AC → = ( 6-6 -2-( - 11 ) -6-3 ) = ( 0 9 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -16 32 -4 ) × ( 0 9 -9 ) = ( 32 · ( -9 ) - ( -4 ) · 9 -4 · 0 - ( -16 ) · ( -9 ) -16 · 9 - 32 · 0 ) = ( -288 +36 0 -144 -144 +0 ) = ( -252 -144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -252 -144 -144 ) | = (-252) 2 + (-144)2 + (-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(4|12|10), B(-2|-15|-8), C(-22|-28|-2) und D(-16|-1|16) und als Spitze S(11|-17|31). 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 → = ( -2-4 -15-12 -8-10 ) = ( -6 -27 -18 ) und AD → = BC → = ( -22-( - 2 ) -28-( - 15 ) -2-( - 8 ) ) = ( -20 -13 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -6 -27 -18 ) × ( -20 -13 6 ) = ( -27 · 6 - ( -18 ) · ( -13 ) -18 · ( -20 ) - ( -6 ) · 6 -6 · ( -13 ) - ( -27 ) · ( -20 ) ) = ( -162 -234 360 +36 78 -540 ) = ( -396 396 -462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -396 396 -462 ) | = (-396) 2 + 3962 + (-462) 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 726.

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 12 10 ) + r ⋅ ( -6 -27 -18 ) + s ⋅ ( -20 -13 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -6 -27 -18 ) × ( -20 -13 6 ) = ( -27 · 6 - ( -18 ) · ( -13 ) -18 · ( -20 ) - ( -6 ) · 6 -6 · ( -13 ) - ( -27 ) · ( -20 ) ) = ( -162 -234 360 +36 78 -540 ) = ( -396 396 -462 ) = -66⋅ ( 6 -6 7 )

Weil der Vektor ( 6 -6 7 ) orthogonal zu ( -6 -27 -18 ) und ( -20 -13 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 4 12 10 ) ] ∘ ( 6 -6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|12|10) erhält man
d = 6⋅4 + (-6)⋅12 + 7⋅10
also:

6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 22

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 = | 6 ⋅ 11-6 ⋅ ( - 17 )+7 ⋅ 31-22 | 6 2 + ( - 6 ) 2 + 7 2
= | 363 | 121 = 363 11 = 33

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 33.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|3|-5), B(-1|-1|-3), C(1|3|1) und als Spitze S(2|8|-9).
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-( - 5 ) -1-3 -3-( - 5 ) ) = ( 4 -4 2 ) und AC → = ( 1-( - 5 ) 3-3 1-( - 5 ) ) = ( 6 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 -4 2 ) × ( 6 0 6 ) = ( -4 · 6 - 2 · 0 2 · 6 - 4 · 6 4 · 0 - ( -4 ) · 6 ) = ( -24 +0 12 -24 0 +24 ) = ( -24 -12 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -24 -12 24 ) | = (-24) 2 + (-12)2 + 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.

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 3 -5 ) + r ⋅ ( 4 -4 2 ) + s ⋅ ( 6 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 0 6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 6 t -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 6 0 6 ) , denn ( 6 0 6 ) ∘ ( 6 t -6 ) =6⋅6 + 0⋅t + 6⋅(-6) = 36+0-36=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 -4 2 ) ⋅ ( 6 t -6 ) = -4⋅t +12 = 0 wird, also t=3 = 3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( 6 3 -6 ) = 3 1 ⋅ ( 2 1 -2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( 4 -4 2 ) × ( 6 0 6 ) = ( -4 · 6 - 2 · 0 2 · 6 - 4 · 6 4 · 0 - ( -4 ) · 6 ) = ( -24 +0 12 -24 0 +24 ) = ( -24 -12 24 )

= -12⋅ ( 2 1 -2 )

Weil der Vektor ( 2 1 -2 ) orthogonal zu ( 4 -4 2 ) und ( 6 0 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 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(-5|3|-5) erhält man
d = 2⋅(-5) + 1⋅3 + (-2)⋅(-5)
also:

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

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 ⋅ 2+1 ⋅ 8-2 ⋅ ( - 9 )-3 | 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|3|-13), der Punkt C(-5|3|-4) und die Gerade g: x → = ( 4 3 -13 ) +t⋅ ( -1 -4 8 ) . 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 ( -1 t -4 t 8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -5-4 3-3 -4-( - 13 ) ) = ( -9 0 9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -1 t -4 t 8 t ) × ( -9 0 9 ) = ( -4 t · 9 - 8 t · 0 8 t · ( -9 ) - ( - t ) · 9 - t · 0 - ( -4 t ) · ( -9 ) ) = ( -36 t +0 -72 t +9 t 0 -36 t ) = ( -36 t -63 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -36 t -63 t -36 t ) | = 1296 t 2 +3969 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 ( 4 -1 t | 3 -4 t | -13 +8 t ) ergibt
B1(-1|-17|27).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -1 t | 3 -4 t | -13 +8 t ) ergibt
B2(9|23|-53).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 36 .

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 +4 x 2 +3 x 3 = 36 ein.

S1: 2 ⋅ x +4⋅ 0 +3⋅ 0 = 36 => x= 36 2 =18, also S1(18|0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +4⋅ y +3⋅ 0 = 36 => y= 36 4 =9, also S2(0|9|0)
S3: 2 ⋅ 0 +4⋅ 0 +3⋅ z = 36 => z= 36 3 =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 ⋅ 18⋅9 = 81, 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 ⋅81⋅12
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 1 ⋅ x +4⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +4⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 1 ⋅ 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 ⋅ d 4 ⋅ d 4 = d 2 32

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 32 d 2 = 2 |⋅32
d 2 = 64 | ⋅2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 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: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +4 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 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 ⋅ x +5⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +5⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 ⋅ 0 +5⋅ 0 +4⋅ z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

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 4 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 4 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | ⋅3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.