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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|-1|-4), B(-37|-9|20) und C(-3|-10|-10) 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 -1 -4 ) + ( 34 -1 -30 ) = ( 33 -2 -34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(33|-2|-34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -37-( - 1 ) -9-( - 1 ) 20-( - 4 ) ) = ( -36 -8 24 ) und AD = BC = ( -3-( - 37 ) -10-( - 9 ) -10-20 ) = ( 34 -1 -30 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 -8 24 ) × ( 34 -1 -30 ) = ( -8 · ( -30 ) - 24 · ( -1 ) 24 · 34 - ( -36 ) · ( -30 ) -36 · ( -1 ) - ( -8 ) · 34 ) = ( 240 +24 816 -1080 36 +272 ) = ( 264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -264 308 ) | = 264 2 + (-264)2 + 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|22|15), B(-7|-14|-9) und C(-14|-7|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 = ( -7-1 -14-22 -9-15 ) = ( -8 -36 -24 ) und AC = ( -14-1 -7-22 3-15 ) = ( -15 -29 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -36 -24 ) × ( -15 -29 -12 ) = ( -36 · ( -12 ) - ( -24 ) · ( -29 ) -24 · ( -15 ) - ( -8 ) · ( -12 ) -8 · ( -29 ) - ( -36 ) · ( -15 ) ) = ( 432 -696 360 -96 232 -540 ) = ( -264 264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 -308 ) | = (-264) 2 + 2642 + (-308) 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|3|1), B(-10|9|1), C(-4|17|1) und D(4|11|1) und als Spitze S(1|7|4). 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 ) 9-3 1-1 ) = ( -8 6 0 ) und AD = BC = ( -4-( - 10 ) 17-9 1-1 ) = ( 6 8 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 6 0 ) × ( 6 8 0 ) = ( 6 · 0 - 0 · 8 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 8 - 6 · 6 ) = ( 0+0 0+0 -64 -36 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 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.

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 1 ) + r ( -8 6 0 ) + s ( 6 8 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -8 6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 -8 t ) für jedes t orthogonal zu ( -8 6 0 ) , denn ( -8 6 0 ) ( -6 -8 t ) =(-8)(-6) + 6(-8) + 0t = 48-48+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 6 8 0 ) ( -6 -8 t ) = 0⋅t -100 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 -8 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -8 6 0 ) × ( 6 8 0 ) = ( 6 · 0 - 0 · 8 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 8 - 6 · 6 ) = ( 0+0 0+0 -64 -36 ) = ( 0 0 -100 )

= -100⋅ ( 0 0 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|3|1) erhält man
d = 0(-2) + 03 + 11
also:

+ x 3 = 1

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 = | 0 1+0 7+1 4-1 | 0 2 + 0 2 + 1 2
= | 3 | 1 = 3 1 = 3

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 3.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 100 · 3 = 100

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(8|3|-4), B(-4|-13|-4), C(-15|-11|-4) und als Spitze S(1|2|-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 = ( -4-8 -13-3 -4-( - 4 ) ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -15-8 -11-3 -4-( - 4 ) ) = ( -23 -14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -23 -14 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -16 ) · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 168 -368 ) = ( 0 0 -200 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -200 ) | = 0 2 + 02 + (-200) 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 = ( 8 3 -4 ) + r ( -12 -16 0 ) + s ( -23 -14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 -16 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 16 -12 t ) für jedes t orthogonal zu ( -12 -16 0 ) , denn ( -12 -16 0 ) ( 16 -12 t ) =(-12)16 + (-16)(-12) + 0t = -192+192+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -23 -14 0 ) ( 16 -12 t ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 16 -12 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 -16 0 ) × ( -23 -14 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -23 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -16 ) · ( -23 ) ) = ( 0+0 0+0 168 -368 ) = ( 0 0 -200 )

= -200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 -16 0 ) und ( -23 -14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 8 3 -4 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(8|3|-4) erhält man
d = 08 + 03 + 1(-4)
also:

+ 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 = | 0 1+0 2+1 ( - 1 )+4 | 0 2 + 0 2 + 1 2
= | 3 | 1 = 3 1 = 3

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 3.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|3|-14), der Punkt C(-4|-7|-5) und die Gerade g: x = ( 4 3 -14 ) +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 = ( -4-4 -7-3 -5-( - 14 ) ) = ( -8 -10 9 ) .

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 ) × ( -8 -10 9 ) = ( -2 t · 9 - 6 t · ( -10 ) 6 t · ( -8 ) - ( -3 t ) · 9 -3 t · ( -10 ) - ( -2 t ) · ( -8 ) ) = ( -18 t +60 t -48 t +27 t 30 t -16 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 ( 4 -3 t | 3 -2 t | -14 +6 t ) ergibt
B1(-2|-1|-2).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -3 t | 3 -2 t | -14 +6 t ) ergibt
B2(10|7|-26).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 12 .

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 + x 3 = 12 ein.

S1: 2 x +3 0 +1 0 = 12 => x= 12 2 =6, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +3 y +1 0 = 12 => y= 12 3 =4, also S2(0|4|0)
S3: 2 0 +3 0 +1 z = 12 => z=12=12, also S3(0|0|12)

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⋅4 = 12, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅12⋅12
=48

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +5 x 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 50. 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 +5 x 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 x 1 +5 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +5 0 +1 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 1 0 +5 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 1 d 1 = d 2 2

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 2 d 2 = 50 |⋅2
d 2 = 100 | 2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 10

Aber auch E2: x 1 +5 x 2 + x 3 = -10 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 10 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +2 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 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 4 d 2 , 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 4 d 2 d 5 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.