nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(4|7|9), B(-4|-17|-3) und C(-6|-2|1) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 7 9 ) + ( -2 15 4 ) = ( 2 22 13 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(2|22|13).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -4-4 -17-7 -3-9 ) = ( -8 -24 -12 ) und AD = BC = ( -6-( - 4 ) -2-( - 17 ) 1-( - 3 ) ) = ( -2 15 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 -12 ) × ( -2 15 4 ) = ( -24 · 4 - ( -12 ) · 15 -12 · ( -2 ) - ( -8 ) · 4 -8 · 15 - ( -24 ) · ( -2 ) ) = ( -96 +180 24 +32 -120 -48 ) = ( 84 56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 56 -168 ) | = 84 2 + 562 + (-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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(2|7|-5), B(-2|15|-13) und C(1|6|-1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -2-2 15-7 -13-( - 5 ) ) = ( -4 8 -8 ) und AC = ( 1-2 6-7 -1-( - 5 ) ) = ( -1 -1 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 8 -8 ) × ( -1 -1 4 ) = ( 8 · 4 - ( -8 ) · ( -1 ) -8 · ( -1 ) - ( -4 ) · 4 -4 · ( -1 ) - 8 · ( -1 ) ) = ( 32 -8 8 +16 4 +8 ) = ( 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(-8|-7|-2), B(4|2|-2), C(2|13|-2) und D(-10|4|-2) und als Spitze S(-7|0|1). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 4-( - 8 ) 2-( - 7 ) -2-( - 2 ) ) = ( 12 9 0 ) und AD = BC = ( 2-4 13-2 -2-( - 2 ) ) = ( -2 11 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 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 = ( -8 -7 -2 ) + r ( 12 9 0 ) + s ( -2 11 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 9 0 ) und ( -2 11 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -8 -7 -2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-8|-7|-2) erhält man
d = 0(-8) + 0(-7) + 1(-2)
also:

+ x 3 = -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 ( - 7 )+0 0+1 1+2 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|-2|-8), B(-8|1|16), C(-4|18|26) und als Spitze S(-17|19|-11).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( -8-4 1-( - 2 ) 16-( - 8 ) ) = ( -12 3 24 ) und AC = ( -4-4 18-( - 2 ) 26-( - 8 ) ) = ( -8 20 34 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 3 24 ) × ( -8 20 34 ) = ( 3 · 34 - 24 · 20 24 · ( -8 ) - ( -12 ) · 34 -12 · 20 - 3 · ( -8 ) ) = ( 102 -480 -192 +408 -240 +24 ) = ( -378 216 -216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -378 216 -216 ) | = (-378) 2 + 2162 + (-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 -8 ) + r ( -12 3 24 ) + s ( -8 20 34 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -12 3 24 ) × ( -8 20 34 ) = ( 3 · 34 - 24 · 20 24 · ( -8 ) - ( -12 ) · 34 -12 · 20 - 3 · ( -8 ) ) = ( 102 -480 -192 +408 -240 +24 ) = ( -378 216 -216 ) = 54⋅ ( -7 4 -4 )

Weil der Vektor ( -7 4 -4 ) orthogonal zu ( -12 3 24 ) und ( -8 20 34 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -2 -8 ) ] ( -7 4 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-2|-8) erhält man
d = (-7)4 + 4(-2) + (-4)(-8)
also:

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

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 = | -7 ( - 17 )+4 19-4 ( - 11 )+4 | ( - 7 ) 2 + 4 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(-9|29|5), der Punkt C(-1|4|-6) und die Gerade g: x = ( -9 29 5 ) +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.

Lösung einblenden

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 -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 9 ) 4-29 -6-5 ) = ( 8 -25 -11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t -8 t -1 t ) × ( 8 -25 -11 ) = ( -8 t · ( -11 ) - ( - t ) · ( -25 ) - t · 8 - 4 t · ( -11 ) 4 t · ( -25 ) - ( -8 t ) · 8 ) = ( 88 t -25 t -8 t +44 t -100 t +64 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 ( -9 +4 t | 29 -8 t | 5 -1 t ) ergibt
B1(11|-11|0).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +4 t | 29 -8 t | 5 -1 t ) ergibt
B2(-29|69|10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

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 ⋅ 12⋅9 = 54, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅54⋅18
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 + x 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 72. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 + x 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 4 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +1 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +1 y +1 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 0 +1 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 1 = d 2 2

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 2 d 2 = 72 |⋅2
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4.5. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

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 1 d 1 , 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 1 d 1 = d 3 6

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 3 = 4,5 |⋅6
d 3 = 27 | 3
d = 27 3 = 3

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

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

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