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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-6|3|-1), B(-18|19|-1) und C(-7|-4|-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 → = ( -6 3 -1 ) + ( 11 -23 0 ) = ( 5 -20 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|-20|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -18-( - 6 ) 19-3 -1-( - 1 ) ) = ( -12 16 0 ) und AD → = BC → = ( -7-( - 18 ) -4-19 -1-( - 1 ) ) = ( 11 -23 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 16 0 ) × ( 11 -23 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · 11 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -23 ) - 16 · 11 ) = ( 0+0 0+0 276 -176 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 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(8|-5|5), B(0|3|1) und C(1|-1|0).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( 0-8 3-( - 5 ) 1-5 ) = ( -8 8 -4 ) und AC → = ( 1-8 -1-( - 5 ) 0-5 ) = ( -7 4 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 8 -4 ) × ( -7 4 -5 ) = ( 8 · ( -5 ) - ( -4 ) · 4 -4 · ( -7 ) - ( -8 ) · ( -5 ) -8 · 4 - 8 · ( -7 ) ) = ( -40 +16 28 -40 -32 +56 ) = ( -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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(4|3|3), B(4|12|15), C(4|20|9) und D(4|11|-3) und als Spitze S(7|7|0). 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 → = ( 4-4 12-3 15-3 ) = ( 0 9 12 ) und AD → = BC → = ( 4-4 20-12 9-15 ) = ( 0 8 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 9 12 ) × ( 0 8 -6 ) = ( 9 · ( -6 ) - 12 · 8 12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · 8 - 9 · 0 ) = ( -54 -96 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -150 0 0 ) | = (-150) 2 + 02 + 0 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 → = ( 4 3 3 ) + r ⋅ ( 0 9 12 ) + s ⋅ ( 0 8 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 9 12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -12 9 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 9 12 ) , denn ( 0 9 12 ) ∘ ( t -12 9 ) =0⋅t + 9⋅(-12) + 12⋅9 = 0-108+108=0.

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

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

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

= -150⋅ ( 1 0 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|3|3) erhält man
d = 1⋅4 + 0⋅3 + 0⋅3
also:

x 1 = 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 = | 1 ⋅ 7+0 ⋅ 7+0 ⋅ 0-4 | 1 2 + 0 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|4|4), B(-13|8|-2), C(-7|20|-6) und als Spitze S(-4|19|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-( - 1 ) 8-4 -2-4 ) = ( -12 4 -6 ) und AC → = ( -7-( - 1 ) 20-4 -6-4 ) = ( -6 16 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 4 -6 ) × ( -6 16 -10 ) = ( 4 · ( -10 ) - ( -6 ) · 16 -6 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -10 ) -12 · 16 - 4 · ( -6 ) ) = ( -40 +96 36 -120 -192 +24 ) = ( 56 -84 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 56 -84 -168 ) | = 56 2 + (-84)2 + (-168) 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

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 → = ( -1 4 4 ) + r ⋅ ( -12 4 -6 ) + s ⋅ ( -6 16 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -12 4 -6 ) × ( -6 16 -10 ) = ( 4 · ( -10 ) - ( -6 ) · 16 -6 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -10 ) -12 · 16 - 4 · ( -6 ) ) = ( -40 +96 36 -120 -192 +24 ) = ( 56 -84 -168 ) = -28⋅ ( -2 3 6 )

Weil der Vektor ( -2 3 6 ) orthogonal zu ( -12 4 -6 ) und ( -6 16 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -1 4 4 ) ] ∘ ( -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(-1|4|4) erhält man
d = (-2)⋅(-1) + 3⋅4 + 6⋅4
also:

-2 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = 38

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 ⋅ ( - 4 )+3 ⋅ 19+6 ⋅ 20-38 | ( - 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 · 98 · 21 = 686

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(5|-6|12), der Punkt C(5|5|1) und die Gerade g: x → = ( 5 -6 12 ) +t⋅ ( -6 2 -9 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 181,5 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 ( -6 t 2 t -9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 5-5 5-( - 6 ) 1-12 ) = ( 0 11 -11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -6 t 2 t -9 t ) × ( 0 11 -11 ) = ( 2 t · ( -11 ) - ( -9 t ) · 11 -9 t · 0 - ( -6 t ) · ( -11 ) -6 t · 11 - 2 t · 0 ) = ( -22 t +99 t 0 -66 t -66 t +0 ) = ( 77 t -66 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 77 t -66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 181,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 121t | = 181,5 |⋅2

| 121t | = 363

1. Fall

121t = 363 |: 121

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -6 t | -6 +2 t | 12 -9 t ) ergibt
B1(-13|0|-15).

2. Fall

- 121t = 363 |: -121

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -6 t | -6 +2 t | 12 -9 t ) ergibt
B2(23|-12|39).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅12 = 108, 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅108⋅9
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 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 18. 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 +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 4 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 ⋅ x +4⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +4⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 4 ⋅ 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 = 18 |⋅32
d 2 = 576 | ⋅2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

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

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

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 450. 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:

5 x 1 +4 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 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +4⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +4⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 ⋅ 0 +4⋅ 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 5 ⋅ d 4 , 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 5 ⋅ d 4 ⋅ d 4 = d 3 480

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 480 d 3 = 450 |⋅480
d 3 = 216000 | ⋅3
d = 216000 3 = 60

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

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

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