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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-19|-12|7), B(5|0|-1) und C(-4|-1|-5) 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 = ( -19 -12 7 ) + ( -9 -1 -4 ) = ( -28 -13 3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-28|-13|3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 19 ) 0-( - 12 ) -1-7 ) = ( 24 12 -8 ) und AD = BC = ( -4-5 -1-0 -5-( - 1 ) ) = ( -9 -1 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 12 -8 ) × ( -9 -1 -4 ) = ( 12 · ( -4 ) - ( -8 ) · ( -1 ) -8 · ( -9 ) - 24 · ( -4 ) 24 · ( -1 ) - 12 · ( -9 ) ) = ( -48 -8 72 +96 -24 +108 ) = ( -56 168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 168 84 ) | = (-56) 2 + 1682 + 84 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(-13|-1|-9), B(11|-9|3) und C(-4|-11|-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 = ( 11-( - 13 ) -9-( - 1 ) 3-( - 9 ) ) = ( 24 -8 12 ) und AC = ( -4-( - 13 ) -11-( - 1 ) -1-( - 9 ) ) = ( 9 -10 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -8 12 ) × ( 9 -10 8 ) = ( -8 · 8 - 12 · ( -10 ) 12 · 9 - 24 · 8 24 · ( -10 ) - ( -8 ) · 9 ) = ( -64 +120 108 -192 -240 +72 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|-3|1), B(-27|9|-2), C(-29|1|-18) und D(-5|-11|-15) und als Spitze S(8|14|-19). 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 = ( -27-( - 3 ) 9-( - 3 ) -2-1 ) = ( -24 12 -3 ) und AD = BC = ( -29-( - 27 ) 1-9 -18-( - 2 ) ) = ( -2 -8 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 12 -3 ) × ( -2 -8 -16 ) = ( 12 · ( -16 ) - ( -3 ) · ( -8 ) -3 · ( -2 ) - ( -24 ) · ( -16 ) -24 · ( -8 ) - 12 · ( -2 ) ) = ( -192 -24 6 -384 192 +24 ) = ( -216 -378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 -378 216 ) | = (-216) 2 + (-378)2 + 216 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( -3 -3 1 ) + r ( -24 12 -3 ) + s ( -2 -8 -16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -24 12 -3 ) × ( -2 -8 -16 ) = ( 12 · ( -16 ) - ( -3 ) · ( -8 ) -3 · ( -2 ) - ( -24 ) · ( -16 ) -24 · ( -8 ) - 12 · ( -2 ) ) = ( -192 -24 6 -384 192 +24 ) = ( -216 -378 216 ) = -54⋅ ( 4 7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 7 -4 ) orthogonal zu ( -24 12 -3 ) und ( -2 -8 -16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -3 1 ) ] ( 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|-3|1) erhält man
d = 4(-3) + 7(-3) + (-4)1
also:

4 x 1 +7 x 2 -4 x 3 = -37

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 8+7 14-4 ( - 19 )+37 | 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|-5|-3), B(10|4|-3), C(8|15|-3) und als Spitze S(-1|2|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 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 = ( 10-( - 2 ) 4-( - 5 ) -3-( - 3 ) ) = ( 12 9 0 ) und AC = ( 8-( - 2 ) 15-( - 5 ) -3-( - 3 ) ) = ( 10 20 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 9 0 ) × ( 10 20 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 20 0 · 10 - 12 · 0 12 · 20 - 9 · 10 ) = ( 0+0 0+0 240 -90 ) = ( 0 0 150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 = ( -2 -5 -3 ) + r ( 12 9 0 ) + s ( 10 20 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 9 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 12 t ) für jedes t orthogonal zu ( 12 9 0 ) , denn ( 12 9 0 ) ( -9 12 t ) =12(-9) + 912 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 10 20 0 ) ( -9 12 t ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 9 0 ) × ( 10 20 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 20 0 · 10 - 12 · 0 12 · 20 - 9 · 10 ) = ( 0+0 0+0 240 -90 ) = ( 0 0 150 )

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 9 0 ) und ( 10 20 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -5 -3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-5|-3) erhält man
d = 0(-2) + 0(-5) + 1(-3)
also:

+ x 3 = -3

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 ( - 1 )+0 2+1 0+3 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-8|-4|8), der Punkt C(-6|0|3) und die Gerade g: x = ( -8 -4 8 ) +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 = 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 ( 2 t t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 8 ) 0-( - 4 ) 3-8 ) = ( 2 4 -5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t t -2 t ) × ( 2 4 -5 ) = ( t · ( -5 ) - ( -2 t ) · 4 -2 t · 2 - 2 t · ( -5 ) 2 t · 4 - t · 2 ) = ( -5 t +8 t -4 t +10 t 8 t -2 t ) = ( 3 t 6 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 3 t 6 t 6 t ) | = 9 t 2 +36 t 2 +36 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 ( -8 +2 t | -4 +1 t | 8 -2 t ) ergibt
B1(-2|-1|2).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 +2 t | -4 +1 t | 8 -2 t ) ergibt
B2(-14|-7|14).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +4 0 +4 0 = 12 => x= 3 4 =0.75, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +4 y +4 0 = 12 => y= 3 4 =0.75, also S2(0|3|0)
S3: 4 0 +4 0 +4 z = 12 => z= 3 4 =0.75, 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⋅3 = 4.5, 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 ⋅4.5⋅3
=4.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 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 80. 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 +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 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 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 5 d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 80 |⋅20
d 2 = 1600 | 2
d1 = - 1600 = -40
d2 = 1600 = 40

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 40

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -40 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 40 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.