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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|6|3), B(2|-6|-13) und C(2|-4|-2) 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 6 3 ) + ( 0 2 11 ) = ( 2 8 14 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(2|8|14).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 2-2 -6-6 -13-3 ) = ( 0 -12 -16 ) und AD = BC = ( 2-2 -4-( - 6 ) -2-( - 13 ) ) = ( 0 2 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 -16 ) × ( 0 2 11 ) = ( -12 · 11 - ( -16 ) · 2 -16 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -12 ) · 0 ) = ( -132 +32 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(-1|-3|-1), B(-37|21|7) und C(-3|-9|8).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -37-( - 1 ) 21-( - 3 ) 7-( - 1 ) ) = ( -36 24 8 ) und AC = ( -3-( - 1 ) -9-( - 3 ) 8-( - 1 ) ) = ( -2 -6 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 24 8 ) × ( -2 -6 9 ) = ( 24 · 9 - 8 · ( -6 ) 8 · ( -2 ) - ( -36 ) · 9 -36 · ( -6 ) - 24 · ( -2 ) ) = ( 216 +48 -16 +324 216 +48 ) = ( 264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 264 ) | = 264 2 + 3082 + 264 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(0|-5|4), B(-9|-17|4), C(-17|-11|4) und D(-8|1|4) und als Spitze S(-4|-2|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 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 = ( -9-0 -17-( - 5 ) 4-4 ) = ( -9 -12 0 ) und AD = BC = ( -17-( - 9 ) -11-( - 17 ) 4-4 ) = ( -8 6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 -12 0 ) × ( -8 6 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · 6 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 6 - ( -12 ) · ( -8 ) ) = ( 0+0 0+0 -54 -96 ) = ( 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 = ( 0 -5 4 ) + r ( -9 -12 0 ) + s ( -8 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -8 6 0 ) ( 12 -9 t ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -9 -12 0 ) × ( -8 6 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · 6 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 6 - ( -12 ) · ( -8 ) ) = ( 0+0 0+0 -54 -96 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -9 -12 0 ) und ( -8 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -5 4 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-5|4) erhält man
d = 00 + 0(-5) + 14
also:

+ 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 = | 0 ( - 4 )+0 ( - 2 )+1 7-4 | 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(-5|4|-4), B(-3|20|4), C(13|22|-4) und als Spitze S(-9|17|-29).
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 = ( -3-( - 5 ) 20-4 4-( - 4 ) ) = ( 2 16 8 ) und AC = ( 13-( - 5 ) 22-4 -4-( - 4 ) ) = ( 18 18 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 16 8 ) × ( 18 18 0 ) = ( 16 · 0 - 8 · 18 8 · 18 - 2 · 0 2 · 18 - 16 · 18 ) = ( 0 -144 144 +0 36 -288 ) = ( -144 144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 144 -252 ) | = (-144) 2 + 1442 + (-252) 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.

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 4 -4 ) + r ( 2 16 8 ) + s ( 18 18 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 18 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -18 18 t ) für jedes t orthogonal zu ( 18 18 0 ) , denn ( 18 18 0 ) ( -18 18 t ) =18(-18) + 1818 + 0t = -324+324+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 2 16 8 ) ( -18 18 t ) = 8⋅t +252 = 0 wird, also t= - 63 2 = - 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -18 18 - 63 2 ) = 1 2 ( -36 36 -63 ) = 9 2 ( -4 4 -7 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 2 16 8 ) × ( 18 18 0 ) = ( 16 · 0 - 8 · 18 8 · 18 - 2 · 0 2 · 18 - 16 · 18 ) = ( 0 -144 144 +0 36 -288 ) = ( -144 144 -252 )

= 36⋅ ( -4 4 -7 )

Weil der Vektor ( -4 4 -7 ) orthogonal zu ( 2 16 8 ) und ( 18 18 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 4 -4 ) ] ( -4 4 -7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|4|-4) erhält man
d = (-4)(-5) + 44 + (-7)(-4)
also:

-4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = 64

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 ( - 9 )+4 17-7 ( - 29 )-64 | ( - 4 ) 2 + 4 2 + ( - 7 ) 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|4|-6), der Punkt C(-4|5|1) und die Gerade g: x = ( -4 4 -6 ) +t ( 0 3 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 50 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 ( 0 t 3 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -4-( - 4 ) 5-4 1-( - 6 ) ) = ( 0 1 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 3 t -4 t ) × ( 0 1 7 ) = ( 3 t · 7 - ( -4 t ) · 1 -4 t · 0 - 0 · 7 0 · 1 - 3 t · 0 ) = ( 21 t +4 t 0+0 0+0 ) = ( 25 t 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 25 t 0 0 ) | = 625 t 2 +0+0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | 4 +3 t | -6 -4 t ) ergibt
B1(-4|16|-22).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | 4 +3 t | -6 -4 t ) ergibt
B2(-4|-8|10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 .

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 +5 x 2 +4 x 3 = 60 ein.

S1: 2 x +5 0 +4 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +5 y +4 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 2 0 +5 0 +4 z = 60 => z= 60 4 =15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 30⋅12 = 180, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅180⋅15
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x1-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:

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

S1: 1 x +1 0 +2 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +2 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: 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: x 1 + x 2 +2 x 3 = 4

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 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 150. 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 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.