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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-3|3|5), B(-7|19|-27) und C(-11|-1|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 = ( -3 3 5 ) + ( -4 -20 31 ) = ( -7 -17 36 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-7|-17|36).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -7-( - 3 ) 19-3 -27-5 ) = ( -4 16 -32 ) und AD = BC = ( -11-( - 7 ) -1-19 4-( - 27 ) ) = ( -4 -20 31 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 16 -32 ) × ( -4 -20 31 ) = ( 16 · 31 - ( -32 ) · ( -20 ) -32 · ( -4 ) - ( -4 ) · 31 -4 · ( -20 ) - 16 · ( -4 ) ) = ( 496 -640 128 +124 80 +64 ) = ( -144 252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 252 144 ) | = (-144) 2 + 2522 + 144 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(8|1|1), B(32|13|9) und C(-1|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 = ( 32-8 13-1 9-1 ) = ( 24 12 8 ) und AC = ( -1-8 0-1 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 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|3|-7), B(10|11|17), C(17|25|17) und D(5|17|-7) und als Spitze S(-15|20|2). 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 ) 11-3 17-( - 7 ) ) = ( 12 8 24 ) und AD = BC = ( 17-10 25-11 17-17 ) = ( 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 3 -7 ) + 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) + 147 + 0t = -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 3 -7 ) ] ( -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|3|-7) erhält man
d = (-6)(-2) + 33 + 2(-7)
also:

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

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 ( - 15 )+3 20+2 2-7 | ( - 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|2|-5), B(-2|-2|-7), C(2|-4|-11) und als Spitze S(7|-5|-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 = ( -2-2 -2-2 -7-( - 5 ) ) = ( -4 -4 -2 ) und AC = ( 2-2 -4-2 -11-( - 5 ) ) = ( 0 -6 -6 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 -24 24 ) | = 12 2 + (-24)2 + 24 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 = ( 2 2 -5 ) + r ( -4 -4 -2 ) + s ( 0 -6 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -6 -6 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 6 -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -6 -6 ) , denn ( 0 -6 -6 ) ( t 6 -6 ) =0t + (-6)6 + (-6)(-6) = 0-36+36=0.

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

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

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

= 12⋅ ( 1 -2 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|2|-5) erhält man
d = 12 + (-2)2 + 2(-5)
also:

x 1 -2 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 = | 1 7-2 ( - 5 )+2 ( - 1 )+12 | 1 2 + ( - 2 ) 2 + 2 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(7|0|6), der Punkt C(0|7|-6) und die Gerade g: x = ( 7 0 6 ) +t ( 9 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 = 121 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 ( 9 t 2 t 6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-7 7-0 -6-6 ) = ( -7 7 -12 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 t 2 t 6 t ) × ( -7 7 -12 ) = ( 2 t · ( -12 ) - 6 t · 7 6 t · ( -7 ) - 9 t · ( -12 ) 9 t · 7 - 2 t · ( -7 ) ) = ( -24 t -42 t -42 t +108 t 63 t +14 t ) = ( -66 t 66 t 77 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -66 t 66 t 77 t ) | = 4356 t 2 +4356 t 2 +5929 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 7 +9 t | 0 +2 t | 6 +6 t ) ergibt
B1(25|4|18).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 7 +9 t | 0 +2 t | 6 +6 t ) ergibt
B2(-11|-4|-6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 24 .

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 4 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 24 ein.

S1: 4 x +4 0 +3 0 = 24 => x= 24 4 =6, also S1(6|0|0)
S2: 4 0 +4 y +3 0 = 24 => y= 24 4 =6, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +4 0 +3 z = 24 => z= 24 3 =8, also S3(0|0|8)

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 ⋅ 6⋅6 = 18, 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= 8 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅8
=48

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

S1: 3 x +2 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 3 d 2 = 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: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 24

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +2 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 +4 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4800. 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 +4 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 3 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +4 0 +5 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +4 y +5 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 3 0 +4 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 3 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 4800 |⋅360
d 3 = 1728000 | 3
d = 1728000 3 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 120

Aber auch E2: 3 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-40|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-24). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 120 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.