nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-16|-5|-7), B(8|7|1) und C(-1|6|5) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 = ( -16 -5 -7 ) + ( -9 -1 4 ) = ( -25 -6 -3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-25|-6|-3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 8-( - 16 ) 7-( - 5 ) 1-( - 7 ) ) = ( 24 12 8 ) und AD = BC = ( -1-8 6-7 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 + (-168)2 + 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(1|-9|0), B(1|-25|12) und C(1|-2|1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 1-1 -25-( - 9 ) 12-0 ) = ( 0 -16 12 ) und AC = ( 1-1 -2-( - 9 ) 1-0 ) = ( 0 7 1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -100 0 0 ) | = (-100) 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(7|-6|11), B(-17|2|-25), C(-11|22|-38) und D(13|14|-2) und als Spitze S(28|-13|-18). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( -17-7 2-( - 6 ) -25-11 ) = ( -24 8 -36 ) und AD = BC = ( -11-( - 17 ) 22-2 -38-( - 25 ) ) = ( 6 20 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 8 -36 ) × ( 6 20 -13 ) = ( 8 · ( -13 ) - ( -36 ) · 20 -36 · 6 - ( -24 ) · ( -13 ) -24 · 20 - 8 · 6 ) = ( -104 +720 -216 -312 -480 -48 ) = ( 616 -528 -528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 616 -528 -528 ) | = 616 2 + (-528)2 + (-528) 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 968.

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 = ( 7 -6 11 ) + r ( -24 8 -36 ) + s ( 6 20 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -24 8 -36 ) × ( 6 20 -13 ) = ( 8 · ( -13 ) - ( -36 ) · 20 -36 · 6 - ( -24 ) · ( -13 ) -24 · 20 - 8 · 6 ) = ( -104 +720 -216 -312 -480 -48 ) = ( 616 -528 -528 ) = 88⋅ ( 7 -6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 -6 ) orthogonal zu ( -24 8 -36 ) und ( 6 20 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 7 -6 11 ) ] ( 7 -6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(7|-6|11) erhält man
d = 77 + (-6)(-6) + (-6)11
also:

7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 19

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 = | 7 28-6 ( - 13 )-6 ( - 18 )-19 | 7 2 + ( - 6 ) 2 + ( - 6 ) 2
= | 363 | 121 = 363 11 = 33

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 33.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|2|-1), B(16|20|3), C(4|24|21) und als Spitze S(19|-14|26).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 16-4 20-2 3-( - 1 ) ) = ( 12 18 4 ) und AC = ( 4-4 24-2 21-( - 1 ) ) = ( 0 22 22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 18 4 ) × ( 0 22 22 ) = ( 18 · 22 - 4 · 22 4 · 0 - 12 · 22 12 · 22 - 18 · 0 ) = ( 396 -88 0 -264 264 +0 ) = ( 308 -264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 264 ) | = 308 2 + (-264)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.

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 = ( 4 2 -1 ) + r ( 12 18 4 ) + s ( 0 22 22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 22 22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -22 22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 22 22 ) , denn ( 0 22 22 ) ( t -22 22 ) =0t + 22(-22) + 2222 = 0-484+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 18 4 ) ( t -22 22 ) = 12⋅t -308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 77 3 -22 22 ) = 1 3 ( 77 -66 66 ) = 11 3 ( 7 -6 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 18 4 ) × ( 0 22 22 ) = ( 18 · 22 - 4 · 22 4 · 0 - 12 · 22 12 · 22 - 18 · 0 ) = ( 396 -88 0 -264 264 +0 ) = ( 308 -264 264 )

= 44⋅ ( 7 -6 6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 6 ) orthogonal zu ( 12 18 4 ) und ( 0 22 22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 2 -1 ) ] ( 7 -6 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|2|-1) erhält man
d = 74 + (-6)2 + 6(-1)
also:

7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = 10

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 = | 7 19-6 ( - 14 )+6 26-10 | 7 2 + ( - 6 ) 2 + 6 2
= | 363 | 121 = 363 11 = 33

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 33.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|-6|0), der Punkt C(-1|-3|0) und die Gerade g: x = ( 2 -6 0 ) +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 = 18 hat.

Lösung einblenden

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 ( -1 t 2 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-2 -3-( - 6 ) 0-0 ) = ( -3 3 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t 2 t 2 t ) × ( -3 3 0 ) = ( 2 t · 0 - 2 t · 3 2 t · ( -3 ) - ( - t ) · 0 - t · 3 - 2 t · ( -3 ) ) = ( 0 -6 t -6 t +0 -3 t +6 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 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 -1 t | -6 +2 t | 0 +2 t ) ergibt
B1(-2|2|8).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 -1 t | -6 +2 t | 0 +2 t ) ergibt
B2(6|-14|-8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 +3 x 2 +3 x 3 = 36 ein.

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

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 ⋅ 9⋅12 = 54, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅54⋅12
=216

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + x 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 18. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 + 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 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 = d 2 2

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 2 d 2 = 18 |⋅2
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 + x 3 = 6

Aber auch E2: x 1 + x 2 + x 3 = -6 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: x 1 + x 2 + x 3 = 6 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 + x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 9. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

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 1 , 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 1 d 2 = d 3 24

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 3 = 9 |⋅24
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = 6

Aber auch E2: 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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