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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(6|0|8), B(-6|0|-8) und C(-7|0|-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 0 8 ) + ( -1 0 7 ) = ( 5 0 15 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|0|15).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-6 0-0 -8-8 ) = ( -12 0 -16 ) und AD = BC = ( -7-( - 6 ) 0-0 -1-( - 8 ) ) = ( -1 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 0 -16 ) × ( -1 0 7 ) = ( 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · ( -1 ) - ( -12 ) · 7 -12 · 0 - 0 · ( -1 ) ) = ( 0+0 16 +84 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 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(-6|9|3), B(2|-27|-21) und C(5|-2|3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 2-( - 6 ) -27-9 -21-3 ) = ( 8 -36 -24 ) und AC = ( 5-( - 6 ) -2-9 3-3 ) = ( 11 -11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -36 -24 ) × ( 11 -11 0 ) = ( -36 · 0 - ( -24 ) · ( -11 ) -24 · 11 - 8 · 0 8 · ( -11 ) - ( -36 ) · 11 ) = ( 0 -264 -264 +0 -88 +396 ) = ( -264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + 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(2|8|1), B(-7|-10|-5), C(-14|-10|-19) und D(-5|8|-13) und als Spitze S(-21|11|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 = ( -7-2 -10-8 -5-1 ) = ( -9 -18 -6 ) und AD = BC = ( -14-( - 7 ) -10-( - 10 ) -19-( - 5 ) ) = ( -7 0 -14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 -18 -6 ) × ( -7 0 -14 ) = ( -18 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -7 ) - ( -9 ) · ( -14 ) -9 · 0 - ( -18 ) · ( -7 ) ) = ( 252 +0 42 -126 0 -126 ) = ( 252 -84 -126 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -84 -126 ) | = 252 2 + (-84)2 + (-126) 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 = ( 2 8 1 ) + r ( -9 -18 -6 ) + s ( -7 0 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -7 0 -14 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -14 t 7 ) für jedes t orthogonal zu ( -7 0 -14 ) , denn ( -7 0 -14 ) ( -14 t 7 ) =(-7)(-14) + 0t + (-14)7 = 98+0-98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -9 -18 -6 ) ( -14 t 7 ) = -18⋅t +84 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -14 14 3 7 ) = 1 3 ( -42 14 21 ) = 7 3 ( -6 2 3 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -9 -18 -6 ) × ( -7 0 -14 ) = ( -18 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -7 ) - ( -9 ) · ( -14 ) -9 · 0 - ( -18 ) · ( -7 ) ) = ( 252 +0 42 -126 0 -126 ) = ( 252 -84 -126 )

= -42⋅ ( -6 2 3 )

Weil der Vektor ( -6 2 3 ) orthogonal zu ( -9 -18 -6 ) und ( -7 0 -14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 8 1 ) ] ( -6 2 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|8|1) erhält man
d = (-6)2 + 28 + 31
also:

-6 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 7

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 ( - 21 )+2 11+3 2-7 | ( - 6 ) 2 + 2 2 + 3 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-10|-1), B(-3|14|-13), C(-20|24|-9) und als Spitze S(3|11|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 = ( -3-0 14-( - 10 ) -13-( - 1 ) ) = ( -3 24 -12 ) und AC = ( -20-0 24-( - 10 ) -9-( - 1 ) ) = ( -20 34 -8 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 216 378 ) | = 216 2 + 2162 + 378 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 = ( 0 -10 -1 ) + r ( -3 24 -12 ) + s ( -20 34 -8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 4 4 7 ) orthogonal zu ( -3 24 -12 ) und ( -20 34 -8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -10 -1 ) ] ( 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(0|-10|-1) erhält man
d = 40 + 4(-10) + 7(-1)
also:

4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = -47

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 3+4 11+7 20+47 | 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 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-13|5|1), der Punkt C(-6|-3|-6) und die Gerade g: x = ( -13 5 1 ) +t ( -8 4 -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.

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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 ( -8 t 4 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 13 ) -3-5 -6-1 ) = ( 7 -8 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 t 4 t -1 t ) × ( 7 -8 -7 ) = ( 4 t · ( -7 ) - ( - t ) · ( -8 ) - t · 7 - ( -8 t ) · ( -7 ) -8 t · ( -8 ) - 4 t · 7 ) = ( -28 t -8 t -7 t -56 t 64 t -28 t ) = ( -36 t -63 t 36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t -63 t 36 t ) | = 1296 t 2 +3969 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 ( -13 -8 t | 5 +4 t | 1 -1 t ) ergibt
B1(-53|25|-4).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -13 -8 t | 5 +4 t | 1 -1 t ) ergibt
B2(27|-15|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +5 0 +3 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +5 y +3 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 2 0 +5 0 +3 z = 60 => z= 60 3 =20, also S3(0|0|20)

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= 20 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅180⋅20
=1200

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +3 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 30. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +5 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 5 d 3 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 30 |⋅30
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 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 +4 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 216. 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 +4 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 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +4 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +4 y +3 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 3 0 +4 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 3 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 216 d 3 = 216 |⋅216
d 3 = 46656 | 3
d = 46656 3 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 36

Aber auch E2: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.