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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(0|-1|-7), B(4|7|-15) und C(1|-2|-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 → = ( 0 -1 -7 ) + ( -3 -9 12 ) = ( -3 -10 5 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-3|-10|5).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( 4-0 7-( - 1 ) -15-( - 7 ) ) = ( 4 8 -8 ) und AD → = BC → = ( 1-4 -2-7 -3-( - 15 ) ) = ( -3 -9 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 8 -8 ) × ( -3 -9 12 ) = ( 8 · 12 - ( -8 ) · ( -9 ) -8 · ( -3 ) - 4 · 12 4 · ( -9 ) - 8 · ( -3 ) ) = ( 96 -72 24 -48 -36 +24 ) = ( 24 -24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 24 -24 -12 ) | = 24 2 + (-24)2 + (-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(4|-20|-4), B(-4|4|8) und C(-8|-5|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 → = ( -4-4 4-( - 20 ) 8-( - 4 ) ) = ( -8 24 12 ) und AC → = ( -8-4 -5-( - 20 ) 7-( - 4 ) ) = ( -12 15 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 24 12 ) × ( -12 15 11 ) = ( 24 · 11 - 12 · 15 12 · ( -12 ) - ( -8 ) · 11 -8 · 15 - 24 · ( -12 ) ) = ( 264 -180 -144 +88 -120 +288 ) = ( 84 -56 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 84 -56 168 ) | = 84 2 + (-56)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(2|-4|-10), B(14|4|14), C(21|18|14) und D(9|10|-10) und als Spitze S(-11|13|-1). 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 → = ( 14-2 4-( - 4 ) 14-( - 10 ) ) = ( 12 8 24 ) und AD → = BC → = ( 21-14 18-4 14-14 ) = ( 7 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 12 8 24 ) × ( 7 14 0 ) = ( 8 · 0 - 24 · 14 24 · 7 - 12 · 0 12 · 14 - 8 · 7 ) = ( 0 -336 168 +0 168 -56 ) = ( -336 168 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -336 168 112 ) | = (-336) 2 + 1682 + 112 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 392.

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 -4 -10 ) + r ⋅ ( 12 8 24 ) + s ⋅ ( 7 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 8 24 ) ⋅ ( -14 7 t ) = 24⋅t -112 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( 12 8 24 ) × ( 7 14 0 ) = ( 8 · 0 - 24 · 14 24 · 7 - 12 · 0 12 · 14 - 8 · 7 ) = ( 0 -336 168 +0 168 -56 ) = ( -336 168 112 )

= 56⋅ ( -6 3 2 )

Weil der Vektor ( -6 3 2 ) orthogonal zu ( 12 8 24 ) und ( 7 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 2 -4 -10 ) ] ∘ ( -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(2|-4|-10) erhält man
d = (-6)⋅2 + 3⋅(-4) + 2⋅(-10)
also:

-6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -44

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 ⋅ ( - 11 )+3 ⋅ 13+2 ⋅ ( - 1 )+44 | ( - 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|4|5), B(-8|31|23), C(-26|35|11) und als Spitze S(-29|-12|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 → = ( -8-( - 2 ) 31-4 23-5 ) = ( -6 27 18 ) und AC → = ( -26-( - 2 ) 35-4 11-5 ) = ( -24 31 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -6 27 18 ) × ( -24 31 6 ) = ( 27 · 6 - 18 · 31 18 · ( -24 ) - ( -6 ) · 6 -6 · 31 - 27 · ( -24 ) ) = ( 162 -558 -432 +36 -186 +648 ) = ( -396 -396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -396 -396 462 ) | = (-396) 2 + (-396)2 + 462 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 4 5 ) + r ⋅ ( -6 27 18 ) + s ⋅ ( -24 31 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -6 27 18 ) × ( -24 31 6 ) = ( 27 · 6 - 18 · 31 18 · ( -24 ) - ( -6 ) · 6 -6 · 31 - 27 · ( -24 ) ) = ( 162 -558 -432 +36 -186 +648 ) = ( -396 -396 462 ) = 66⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( -6 27 18 ) und ( -24 31 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -2 4 5 ) ] ∘ ( -6 -6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|4|5) erhält man
d = (-6)⋅(-2) + (-6)⋅4 + 7⋅5
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 23

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 ⋅ ( - 29 )-6 ⋅ ( - 12 )+7 ⋅ 20-23 | ( - 6 ) 2 + ( - 6 ) 2 + 7 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|13|0), der Punkt C(6|4|0) und die Gerade g: x → = ( -3 13 0 ) +t⋅ ( 1 -8 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 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 -8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 6-( - 3 ) 4-13 0-0 ) = ( 9 -9 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( t -8 t -4 t ) × ( 9 -9 0 ) = ( -8 t · 0 - ( -4 t ) · ( -9 ) -4 t · 9 - t · 0 t · ( -9 ) - ( -8 t ) · 9 ) = ( 0 -36 t -36 t +0 -9 t +72 t ) = ( -36 t -36 t 63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -36 t -36 t 63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 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 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +1 t | 13 -8 t | 0 -4 t ) ergibt
B1(-1|-3|-8).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +1 t | 13 -8 t | 0 -4 t ) ergibt
B2(-5|29|8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 6 .

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 +3 x 2 +3 x 3 = 6 ein.

S1: 2 ⋅ x +3⋅ 0 +3⋅ 0 = 6 => x= 6 2 =3, also S1(3|0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +3⋅ y +3⋅ 0 = 6 => y= 6 3 =2, also S2(0|2|0)
S3: 2 ⋅ 0 +3⋅ 0 +3⋅ z = 6 => z= 6 3 =2, also S3(0|0|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 ⋅ 3⋅2 = 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 OS3= 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 4 ⋅ x +1⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +1⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 ⋅ 0 +1⋅ 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 ⋅ d 1 ⋅ d 2 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 64 |⋅4
d 2 = 256 | ⋅2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 +2 x 3 = 16

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 +2 x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 + x 2 +2 x 3 = 16 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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 +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 x 1 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 ⋅ x +1⋅ 0 +5⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +1⋅ y +5⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 ⋅ 0 +1⋅ 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 1 ⋅ 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | ⋅3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

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