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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|-5|-1), B(-15|-13|3) und C(-6|-1|0) 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 = ( -7 -5 -1 ) + ( 9 12 -3 ) = ( 2 7 -4 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(2|7|-4).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -15-( - 7 ) -13-( - 5 ) 3-( - 1 ) ) = ( -8 -8 4 ) und AD = BC = ( -6-( - 15 ) -1-( - 13 ) 0-3 ) = ( 9 12 -3 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 12 -24 ) | = (-24) 2 + 122 + (-24) 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|-4|3), B(20|-8|35) und C(-4|-11|-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 = ( 20-4 -8-( - 4 ) 35-3 ) = ( 16 -4 32 ) und AC = ( -4-4 -11-( - 4 ) -4-3 ) = ( -8 -7 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -4 32 ) × ( -8 -7 -7 ) = ( -4 · ( -7 ) - 32 · ( -7 ) 32 · ( -8 ) - 16 · ( -7 ) 16 · ( -7 ) - ( -4 ) · ( -8 ) ) = ( 28 +224 -256 +112 -112 -32 ) = ( 252 -144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -144 -144 ) | = 252 2 + (-144)2 + (-144) 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(0|-3|-3), B(8|9|21), C(22|16|21) und D(14|4|-3) und als Spitze S(17|-16|6). 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 = ( 8-0 9-( - 3 ) 21-( - 3 ) ) = ( 8 12 24 ) und AD = BC = ( 22-8 16-9 21-21 ) = ( 14 7 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 336 -112 ) | = (-168) 2 + 3362 + (-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 = ( 0 -3 -3 ) + r ( 8 12 24 ) + 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) + 714 + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 12 24 ) ( -7 14 t ) = 24⋅t +112 = 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 = ( 8 12 24 ) × ( 14 7 0 ) = ( 12 · 0 - 24 · 7 24 · 14 - 8 · 0 8 · 7 - 12 · 14 ) = ( 0 -168 336 +0 56 -168 ) = ( -168 336 -112 )

= -56⋅ ( 3 -6 2 )

Weil der Vektor ( 3 -6 2 ) orthogonal zu ( 8 12 24 ) und ( 14 7 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -3 -3 ) ] ( 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(0|-3|-3) erhält man
d = 30 + (-6)(-3) + 2(-3)
also:

3 x 1 -6 x 2 +2 x 3 = 12

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 17-6 ( - 16 )+2 6-12 | 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|2|0), B(-8|5|6), C(-12|10|4) und als Spitze S(1|11|3).
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 ) 5-2 6-0 ) = ( -6 3 6 ) und AC = ( -12-( - 2 ) 10-2 4-0 ) = ( -10 8 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 3 6 ) × ( -10 8 4 ) = ( 3 · 4 - 6 · 8 6 · ( -10 ) - ( -6 ) · 4 -6 · 8 - 3 · ( -10 ) ) = ( 12 -48 -60 +24 -48 +30 ) = ( -36 -36 -18 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 -36 -18 ) | = (-36) 2 + (-36)2 + (-18) 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 = ( -2 2 0 ) + r ( -6 3 6 ) + s ( -10 8 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 3 6 ) × ( -10 8 4 ) = ( 3 · 4 - 6 · 8 6 · ( -10 ) - ( -6 ) · 4 -6 · 8 - 3 · ( -10 ) ) = ( 12 -48 -60 +24 -48 +30 ) = ( -36 -36 -18 ) = -18⋅ ( 2 2 1 )

Weil der Vektor ( 2 2 1 ) orthogonal zu ( -6 3 6 ) und ( -10 8 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 2 0 ) ] ( 2 2 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +2 x 2 + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|2|0) erhält man
d = 2(-2) + 22 + 10
also:

2 x 1 +2 x 2 + x 3 = 0

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 1+2 11+1 3-0 | 2 2 + 2 2 + 1 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(-10|1|0), der Punkt C(-3|-6|8) und die Gerade g: x = ( -10 1 0 ) +t ( -8 -1 -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 ( -8 t -1 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 10 ) -6-1 8-0 ) = ( 7 -7 8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 t -1 t -4 t ) × ( 7 -7 8 ) = ( - t · 8 - ( -4 t ) · ( -7 ) -4 t · 7 - ( -8 t ) · 8 -8 t · ( -7 ) - ( - t ) · 7 ) = ( -8 t -28 t -28 t +64 t 56 t +7 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 ( -10 -8 t | 1 -1 t | 0 -4 t ) ergibt
B1(-26|-1|-8).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -10 -8 t | 1 -1 t | 0 -4 t ) ergibt
B2(6|3|8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +4 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 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 60 ein.

S1: 5 x +4 0 +4 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +4 y +4 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +4 0 +4 z = 60 => z= 60 4 =15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 12⋅15 = 90, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅15
=450

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 x 2 +5 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 20. 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:

2 x 1 +5 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 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 2 d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 20 |⋅20
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 20

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -20 ist eine Lösung.

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 72. 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 +4 x 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 x 1 +4 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 4 d 1 = d 3 24

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 3 = 72 |⋅24
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +4 x 2 + x 3 = 12

Aber auch E2: x 1 +4 x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

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