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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|4|13), B(-1|-8|-3) und C(-1|-9|4) 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 = ( -1 4 13 ) + ( 0 -1 7 ) = ( -1 3 20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-1|3|20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -1-( - 1 ) -8-4 -3-13 ) = ( 0 -12 -16 ) und AD = BC = ( -1-( - 1 ) -9-( - 8 ) 4-( - 3 ) ) = ( 0 -1 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 -16 ) × ( 0 -1 7 ) = ( -12 · 7 - ( -16 ) · ( -1 ) -16 · 0 - 0 · 7 0 · ( -1 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( -84 -16 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 dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(0|-12|-20), B(4|4|12) und C(10|-8|-3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 4-0 4-( - 12 ) 12-( - 20 ) ) = ( 4 16 32 ) und AC = ( 10-0 -8-( - 12 ) -3-( - 20 ) ) = ( 10 4 17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 16 32 ) × ( 10 4 17 ) = ( 16 · 17 - 32 · 4 32 · 10 - 4 · 17 4 · 4 - 16 · 10 ) = ( 272 -128 320 -68 16 -160 ) = ( 144 252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 252 -144 ) | = 144 2 + 2522 + (-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(2|-6|3), B(10|6|-21), C(24|13|-21) und D(16|1|3) und als Spitze S(19|-19|-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 = ( 10-2 6-( - 6 ) -21-3 ) = ( 8 12 -24 ) und AD = BC = ( 24-10 13-6 -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 + (-336)2 + (-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 -6 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 - ( 2 -6 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(2|-6|3) erhält man
d = 32 + (-6)(-6) + (-2)3
also:

3 x 1 -6 x 2 -2 x 3 = 36

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 19-6 ( - 19 )-2 ( - 6 )-36 | 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(3|4|-2), B(11|8|-10), C(15|13|-8) und als Spitze S(12|1|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 = ( 11-3 8-4 -10-( - 2 ) ) = ( 8 4 -8 ) und AC = ( 15-3 13-4 -8-( - 2 ) ) = ( 12 9 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 4 -8 ) × ( 12 9 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - ( -8 ) · 9 -8 · 12 - 8 · ( -6 ) 8 · 9 - 4 · 12 ) = ( -24 +72 -96 +48 72 -48 ) = ( 48 -48 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 48 -48 24 ) | = 48 2 + (-48)2 + 24 2 = 5184 = 72 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 ⋅ 72 = 36.

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 = ( 3 4 -2 ) + r ( 8 4 -8 ) + s ( 12 9 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 4 -8 ) × ( 12 9 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - ( -8 ) · 9 -8 · 12 - 8 · ( -6 ) 8 · 9 - 4 · 12 ) = ( -24 +72 -96 +48 72 -48 ) = ( 48 -48 24 ) = 24⋅ ( 2 -2 1 )

Weil der Vektor ( 2 -2 1 ) orthogonal zu ( 8 4 -8 ) und ( 12 9 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 4 -2 ) ] ( 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(3|4|-2) erhält man
d = 23 + (-2)4 + 1(-2)
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 12-2 1+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 · 36 · 9 = 108

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(12|6|20), der Punkt C(1|-6|5) und die Gerade g: x = ( 12 6 20 ) +t ( -3 -2 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 49 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 ( -3 t -2 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-12 -6-6 5-20 ) = ( -11 -12 -15 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t -2 t -6 t ) × ( -11 -12 -15 ) = ( -2 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · ( -12 ) -6 t · ( -11 ) - ( -3 t ) · ( -15 ) -3 t · ( -12 ) - ( -2 t ) · ( -11 ) ) = ( 30 t -72 t 66 t -45 t 36 t -22 t ) = ( -42 t 21 t 14 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -42 t 21 t 14 t ) | = 1764 t 2 +441 t 2 +196 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 49 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 49 |⋅2

| 49t | = 98

1. Fall

49t = 98 |: 49

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | 6 -2 t | 20 -6 t ) ergibt
B1(6|2|8).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | 6 -2 t | 20 -6 t ) ergibt
B2(18|10|32).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 +5 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +5 0 +5 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +5 y +5 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +5 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =6, 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 ⋅ 15⋅6 = 45, 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 ⋅45⋅6
=90

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 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 400. 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:

5 x 1 +4 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 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 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 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 400 |⋅16
d 2 = 6400 | 2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 80

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -80 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-16|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-40). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 80 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 +5 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 600. 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 +5 x 2 +4 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 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 OS2= d 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 5 d 4 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 600 |⋅360
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.