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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|2|1), B(10|-6|-3) und C(0|1|-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 1 ) + ( -10 7 2 ) = ( -8 9 3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-8|9|3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-2 -6-2 -3-1 ) = ( 8 -8 -4 ) und AD = BC = ( 0-10 1-( - 6 ) -1-( - 3 ) ) = ( -10 7 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -8 -4 ) × ( -10 7 2 ) = ( -8 · 2 - ( -4 ) · 7 -4 · ( -10 ) - 8 · 2 8 · 7 - ( -8 ) · ( -10 ) ) = ( -16 +28 40 -16 56 -80 ) = ( 12 24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 -24 ) | = 12 2 + 242 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-3|14|22), B(5|-10|-14) und C(12|2|-7).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 5-( - 3 ) -10-14 -14-22 ) = ( 8 -24 -36 ) und AC = ( 12-( - 3 ) 2-14 -7-22 ) = ( 15 -12 -29 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -24 -36 ) × ( 15 -12 -29 ) = ( -24 · ( -29 ) - ( -36 ) · ( -12 ) -36 · 15 - 8 · ( -29 ) 8 · ( -12 ) - ( -24 ) · 15 ) = ( 696 -432 -540 +232 -96 +360 ) = ( 264 -308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -308 264 ) | = 264 2 + (-308)2 + 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|3|-5), B(-6|7|7), C(-10|19|1) und D(-4|15|-11) und als Spitze S(16|18|-2). 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 = ( -6-0 7-3 7-( - 5 ) ) = ( -6 4 12 ) und AD = BC = ( -10-( - 6 ) 19-7 1-7 ) = ( -4 12 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 4 12 ) × ( -4 12 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - 12 · 12 12 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -6 ) -6 · 12 - 4 · ( -4 ) ) = ( -24 -144 -48 -36 -72 +16 ) = ( -168 -84 -56 ) .

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

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 3 -5 ) + r ( -6 4 12 ) + s ( -4 12 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 4 12 ) × ( -4 12 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - 12 · 12 12 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -6 ) -6 · 12 - 4 · ( -4 ) ) = ( -24 -144 -48 -36 -72 +16 ) = ( -168 -84 -56 ) = -28⋅ ( 6 3 2 )

Weil der Vektor ( 6 3 2 ) orthogonal zu ( -6 4 12 ) und ( -4 12 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 3 -5 ) ] ( 6 3 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|3|-5) erhält man
d = 60 + 33 + 2(-5)
also:

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

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 16+3 18+2 ( - 2 )+1 | 6 2 + 3 2 + 2 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 · 196 · 21 = 1372

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-1|-2), B(-1|7|-18), C(15|-1|-20) und als Spitze S(17|16|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-( - 3 ) 7-( - 1 ) -18-( - 2 ) ) = ( 2 8 -16 ) und AC = ( 15-( - 3 ) -1-( - 1 ) -20-( - 2 ) ) = ( 18 0 -18 ) .

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

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

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 = ( -3 -1 -2 ) + r ( 2 8 -16 ) + s ( 18 0 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 0 -18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -18 t -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 18 0 -18 ) , denn ( 18 0 -18 ) ( -18 t -18 ) =18(-18) + 0t + (-18)(-18) = -324+0+324=0.

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

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

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

= -36⋅ ( 4 7 4 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-1|-2) erhält man
d = 4(-3) + 7(-1) + 4(-2)
also:

4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = -27

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 17+7 16+4 9+27 | 4 2 + 7 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-3|-3), der Punkt C(1|-2|1) und die Gerade g: x = ( 0 -3 -3 ) +t ( 1 -2 -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 = 13,5 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 ( t -2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-0 -2-( - 3 ) 1-( - 3 ) ) = ( 1 1 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t -2 t ) × ( 1 1 4 ) = ( -2 t · 4 - ( -2 t ) · 1 -2 t · 1 - t · 4 t · 1 - ( -2 t ) · 1 ) = ( -8 t +2 t -2 t -4 t t +2 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +1 t | -3 -2 t | -3 -2 t ) ergibt
B1(3|-9|-9).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +1 t | -3 -2 t | -3 -2 t ) ergibt
B2(-3|3|3).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 9 .

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 + x 2 +3 x 3 = 9 ein.

S1: 3 x +1 0 +3 0 = 9 => x= 9 3 =3, also S1(3|0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = 9 => y=9=9, also S2(0|9|0)
S3: 3 0 +1 0 +3 z = 9 => z= 9 3 =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 ⋅ 3⋅9 = 13.5, 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 OS3= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅13.5⋅3
=13.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +3 x 2 +4 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 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:

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

S1: 1 x +3 0 +4 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 1 0 +3 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 1 d 4 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 18 |⋅8
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +3 x 2 +4 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: 2 x 1 +3 x 2 +5 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:

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

S1: 2 x +3 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 3 d 5 = 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: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30

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

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