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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|6|7), B(-2|-2|-1) und C(-3|-1|3) 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 7 ) + ( -1 1 4 ) = ( 1 7 11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|7|11).

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

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -8 -8 ) × ( -1 1 4 ) = ( -8 · 4 - ( -8 ) · 1 -8 · ( -1 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 1 - ( -8 ) · ( -1 ) ) = ( -32 +8 8 +16 -4 -8 ) = ( -24 24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 -12 ) | = (-24) 2 + 242 + (-12) 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(2|2|-2), B(6|-6|6) und C(4|1|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-2 -6-2 6-( - 2 ) ) = ( 4 -8 8 ) und AC = ( 4-2 1-2 -4-( - 2 ) ) = ( 2 -1 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -8 8 ) × ( 2 -1 -2 ) = ( -8 · ( -2 ) - 8 · ( -1 ) 8 · 2 - 4 · ( -2 ) 4 · ( -1 ) - ( -8 ) · 2 ) = ( 16 +8 16 +8 -4 +16 ) = ( 24 24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 12 ) | = 24 2 + 242 + 12 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(6|-7|8), B(0|2|-10), C(-14|9|-10) und D(-8|0|8) und als Spitze S(7|16|11). 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 = ( 0-6 2-( - 7 ) -10-8 ) = ( -6 9 -18 ) und AD = BC = ( -14-0 9-2 -10-( - 10 ) ) = ( -14 7 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 126 252 84 ) | = 126 2 + 2522 + 84 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 = ( 6 -7 8 ) + r ( -6 9 -18 ) + s ( -14 7 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -14 7 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -7 -14 t ) für jedes t orthogonal zu ( -14 7 0 ) , denn ( -14 7 0 ) ( -7 -14 t ) =(-14)(-7) + 7(-14) + 0t = 98-98+0=0.

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

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

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

= 42⋅ ( 3 6 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(6|-7|8) erhält man
d = 36 + 6(-7) + 28
also:

3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = -8

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 = | 3 7+6 16+2 11+8 | 3 2 + 6 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-4|1), B(6|2|-2), C(8|-2|-6) und als Spitze S(-5|-3|-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 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 = ( 6-0 2-( - 4 ) -2-1 ) = ( 6 6 -3 ) und AC = ( 8-0 -2-( - 4 ) -6-1 ) = ( 8 2 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 6 -3 ) × ( 8 2 -7 ) = ( 6 · ( -7 ) - ( -3 ) · 2 -3 · 8 - 6 · ( -7 ) 6 · 2 - 6 · 8 ) = ( -42 +6 -24 +42 12 -48 ) = ( -36 18 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 18 -36 ) | = (-36) 2 + 182 + (-36) 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 -4 1 ) + r ( 6 6 -3 ) + s ( 8 2 -7 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 6 -3 ) × ( 8 2 -7 ) = ( 6 · ( -7 ) - ( -3 ) · 2 -3 · 8 - 6 · ( -7 ) 6 · 2 - 6 · 8 ) = ( -42 +6 -24 +42 12 -48 ) = ( -36 18 -36 ) = 18⋅ ( -2 1 -2 )

Weil der Vektor ( -2 1 -2 ) orthogonal zu ( 6 6 -3 ) und ( 8 2 -7 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -4 1 ) ] ( -2 1 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -2 x 1 + x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-4|1) erhält man
d = (-2)0 + 1(-4) + (-2)1
also:

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

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 ( - 5 )+1 ( - 3 )-2 ( - 7 )+6 | ( - 2 ) 2 + 1 2 + ( - 2 ) 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-7|0|7), der Punkt C(-6|0|0) und die Gerade g: x = ( -7 0 7 ) +t ( 4 0 -3 ) . 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 ( 4 t 0 t -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 7 ) 0-0 0-7 ) = ( 1 0 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t 0 t -3 t ) × ( 1 0 -7 ) = ( 0 · ( -7 ) - ( -3 t ) · 0 -3 t · 1 - 4 t · ( -7 ) 4 t · 0 - 0 · 1 ) = ( 0+0 -3 t +28 t 0+0 ) = ( 0 25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +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 ( -7 +4 t | 0 +0 t | 7 -3 t ) ergibt
B1(9|0|-5).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +4 t | 0 +0 t | 7 -3 t ) ergibt
B2(-23|0|19).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +2 0 = 12 => x= 6 2 =3, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +4 y +2 0 = 12 => y= 6 4 =1.5, also S2(0|3|0)
S3: 2 0 +4 0 +2 z = 12 => z= 6 2 =3, also S3(0|0|6)

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 ⋅ 6⋅3 = 9, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 1 x +1 0 +4 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +4 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 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 1 d 4 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 2 |⋅8
d 2 = 16 | 2
d1 = - 16 = -4
d2 = 16 = 4

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

Aber auch E2: x 1 + x 2 +4 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|-1). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 + x 2 +4 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: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +2 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 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 4 d 2 , 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 4 d 2 d 5 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.