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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|1|-5), B(11|5|3) und C(3|4|-2) 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 = ( 3 1 -5 ) + ( -8 -1 -5 ) = ( -5 0 -10 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-5|0|-10).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 11-3 5-1 3-( - 5 ) ) = ( 8 4 8 ) und AD = BC = ( 3-11 4-5 -2-3 ) = ( -8 -1 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 4 8 ) × ( -8 -1 -5 ) = ( 4 · ( -5 ) - 8 · ( -1 ) 8 · ( -8 ) - 8 · ( -5 ) 8 · ( -1 ) - 4 · ( -8 ) ) = ( -20 +8 -64 +40 -8 +32 ) = ( -12 -24 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 -24 24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + 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(0|8|-14), B(-8|-4|10) und C(-10|0|-5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -8-0 -4-8 10-( - 14 ) ) = ( -8 -12 24 ) und AC = ( -10-0 0-8 -5-( - 14 ) ) = ( -10 -8 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -12 24 ) × ( -10 -8 9 ) = ( -12 · 9 - 24 · ( -8 ) 24 · ( -10 ) - ( -8 ) · 9 -8 · ( -8 ) - ( -12 ) · ( -10 ) ) = ( -108 +192 -240 +72 64 -120 ) = ( 84 -168 -56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 -168 -56 ) | = 84 2 + (-168)2 + (-56) 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(4|0|1), B(22|4|13), C(26|22|1) und D(8|18|-11) und als Spitze S(-12|27|16). 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 = ( 22-4 4-0 13-1 ) = ( 18 4 12 ) und AD = BC = ( 26-22 22-4 1-13 ) = ( 4 18 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 4 12 ) × ( 4 18 -12 ) = ( 4 · ( -12 ) - 12 · 18 12 · 4 - 18 · ( -12 ) 18 · 18 - 4 · 4 ) = ( -48 -216 48 +216 324 -16 ) = ( -264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 308 ) | = (-264) 2 + 2642 + 308 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

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

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 4 12 ) × ( 4 18 -12 ) = ( 4 · ( -12 ) - 12 · 18 12 · 4 - 18 · ( -12 ) 18 · 18 - 4 · 4 ) = ( -48 -216 48 +216 324 -16 ) = ( -264 264 308 ) = 44⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( 18 4 12 ) und ( 4 18 -12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 0 1 ) ] ( -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(4|0|1) erhält man
d = (-6)4 + 60 + 71
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = -17

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 ( - 12 )+6 27+7 16+17 | ( - 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 · 484 · 33 = 5324

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

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

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 4 4 ) × ( -6 6 0 ) = ( 4 · 0 - 4 · 6 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 -2 · 6 - 4 · ( -6 ) ) = ( 0 -24 -24 +0 -12 +24 ) = ( -24 -24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 -24 12 ) | = (-24) 2 + (-24)2 + 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.

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 2 0 ) + r ( -2 4 4 ) + s ( -6 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 -6 t ) für jedes t orthogonal zu ( -6 6 0 ) , denn ( -6 6 0 ) ( -6 -6 t ) =(-6)(-6) + 6(-6) + 0t = 36-36+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 4 4 ) ( -6 -6 t ) = 4⋅t -12 = 0 wird, also t=3 = 3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 -6 3 ) = 3 1 ( -2 -2 1 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -2 4 4 ) × ( -6 6 0 ) = ( 4 · 0 - 4 · 6 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 -2 · 6 - 4 · ( -6 ) ) = ( 0 -24 -24 +0 -12 +24 ) = ( -24 -24 12 )

= 12⋅ ( -2 -2 1 )

Weil der Vektor ( -2 -2 1 ) orthogonal zu ( -2 4 4 ) und ( -6 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 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(0|2|0) erhält man
d = (-2)0 + (-2)2 + 10
also:

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

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 ( - 8 )-2 ( - 3 )+1 1+4 | ( - 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-8|-7|-2), der Punkt C(-3|0|2) und die Gerade g: x = ( -8 -7 -2 ) +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.

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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 2 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 8 ) 0-( - 7 ) 2-( - 2 ) ) = ( 5 7 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t 2 t 2 t ) × ( 5 7 4 ) = ( 2 t · 4 - 2 t · 7 2 t · 5 - t · 4 t · 7 - 2 t · 5 ) = ( 8 t -14 t 10 t -4 t 7 t -10 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 ( -8 +1 t | -7 +2 t | -2 +2 t ) ergibt
B1(-4|1|6).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 +1 t | -7 +2 t | -2 +2 t ) ergibt
B2(-12|-15|-10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 .

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 +5 x 2 + x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +5 0 +1 0 = 15 => x= 15 5 =3, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +5 y +1 0 = 15 => y= 15 5 =3, also S2(0|3|0)
S3: 5 0 +5 0 +1 z = 15 => z=15=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 ⋅ 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅15
=22.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +2 x 2 +3 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 48. 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 +2 x 2 +3 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 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 48 |⋅12
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

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

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

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 3 d 2 = d 3 108

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 2 |⋅108
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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