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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-2|2), B(26|6|14) und C(-7|2|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 = ( 2 -2 2 ) + ( -33 -4 -13 ) = ( -31 -6 -11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-31|-6|-11).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 26-2 6-( - 2 ) 14-2 ) = ( 24 8 12 ) und AD = BC = ( -7-26 2-6 1-14 ) = ( -33 -4 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 8 12 ) × ( -33 -4 -13 ) = ( 8 · ( -13 ) - 12 · ( -4 ) 12 · ( -33 ) - 24 · ( -13 ) 24 · ( -4 ) - 8 · ( -33 ) ) = ( -104 +48 -396 +312 -96 +264 ) = ( -56 -84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -84 168 ) | = (-56) 2 + (-84)2 + 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(0|16|-7), B(8|-20|17) und C(13|-4|-1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 8-0 -20-16 17-( - 7 ) ) = ( 8 -36 24 ) und AC = ( 13-0 -4-16 -1-( - 7 ) ) = ( 13 -20 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -36 24 ) × ( 13 -20 6 ) = ( -36 · 6 - 24 · ( -20 ) 24 · 13 - 8 · 6 8 · ( -20 ) - ( -36 ) · 13 ) = ( -216 +480 312 -48 -160 +468 ) = ( 264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 308 ) | = 264 2 + 2642 + 308 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-8|-5|-3), B(8|-5|9), C(6|-5|20) und D(-10|-5|8) und als Spitze S(-7|-2|4). 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-( - 8 ) -5-( - 5 ) 9-( - 3 ) ) = ( 16 0 12 ) und AD = BC = ( 6-8 -5-( - 5 ) 20-9 ) = ( -2 0 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 0 12 ) × ( -2 0 11 ) = ( 0 · 11 - 12 · 0 12 · ( -2 ) - 16 · 11 16 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 -24 -176 0+0 ) = ( 0 -200 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -200 0 ) | = 0 2 + (-200)2 + 0 2 = 40000 = 200 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 200.

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 -5 -3 ) + r ( 16 0 12 ) + s ( -2 0 11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 16 0 12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 t -16 ) für jedes t orthogonal zu ( 16 0 12 ) , denn ( 16 0 12 ) ( 12 t -16 ) =1612 + 0t + 12(-16) = 192+0-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 0 11 ) ( 12 t -16 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 12 1 0 -16 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 16 0 12 ) × ( -2 0 11 ) = ( 0 · 11 - 12 · 0 12 · ( -2 ) - 16 · 11 16 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 -24 -176 0+0 ) = ( 0 -200 0 )

= -200⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 16 0 12 ) und ( -2 0 11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -8 -5 -3 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-8|-5|-3) erhält man
d = 0(-8) + 1(-5) + 0(-3)
also:

+ x 2 = -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 = | 0 ( - 7 )+1 ( - 2 )+0 4+5 | 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|3|0), B(13|-3|-9), C(7|-15|-13) und als Spitze S(-14|6|-20).
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 = ( 13-( - 5 ) -3-3 -9-0 ) = ( 18 -6 -9 ) und AC = ( 7-( - 5 ) -15-3 -13-0 ) = ( 12 -18 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 -6 -9 ) × ( 12 -18 -13 ) = ( -6 · ( -13 ) - ( -9 ) · ( -18 ) -9 · 12 - 18 · ( -13 ) 18 · ( -18 ) - ( -6 ) · 12 ) = ( 78 -162 -108 +234 -324 +72 ) = ( -84 126 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 126 -252 ) | = (-84) 2 + 1262 + (-252) 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 = ( -5 3 0 ) + r ( 18 -6 -9 ) + s ( 12 -18 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 -6 -9 ) × ( 12 -18 -13 ) = ( -6 · ( -13 ) - ( -9 ) · ( -18 ) -9 · 12 - 18 · ( -13 ) 18 · ( -18 ) - ( -6 ) · 12 ) = ( 78 -162 -108 +234 -324 +72 ) = ( -84 126 -252 ) = 42⋅ ( -2 3 -6 )

Weil der Vektor ( -2 3 -6 ) orthogonal zu ( 18 -6 -9 ) und ( 12 -18 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 3 0 ) ] ( -2 3 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -2 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|3|0) erhält man
d = (-2)(-5) + 33 + (-6)0
also:

-2 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = 19

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 ( - 14 )+3 6-6 ( - 20 )-19 | ( - 2 ) 2 + 3 2 + ( - 6 ) 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(0|2|1), der Punkt C(5|-2|3) und die Gerade g: x = ( 0 2 1 ) +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 = 22,5 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 -1 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 5-0 -2-2 3-1 ) = ( 5 -4 2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -1 t 2 t ) × ( 5 -4 2 ) = ( - t · 2 - 2 t · ( -4 ) 2 t · 5 - 2 t · 2 2 t · ( -4 ) - ( - t ) · 5 ) = ( -2 t +8 t 10 t -4 t -8 t +5 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 22,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 22,5 |⋅2

| 9t | = 45

1. Fall

9t = 45 |: 9

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | 2 -1 t | 1 +2 t ) ergibt
B1(10|-3|11).

2. Fall

- 9t = 45 |: -9

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | 2 -1 t | 1 +2 t ) ergibt
B2(-10|7|-9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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 ⋅ 4⋅3 = 6, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 400. 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 +4 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 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +4 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +5 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 0 +4 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 2 d 4 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 400 |⋅16
d 2 = 6400 | 2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 80

Aber auch E2: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = -80 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-40|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-16). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 80 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 +3 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 64. 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 +3 x 2 +3 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 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 3 )

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 3 , 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 3 d 3 = d 3 216

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 216 d 3 = 64 |⋅216
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.