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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(0|1|-1), B(-24|13|7) und C(3|3|5) 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 = ( 0 1 -1 ) + ( 27 -10 -2 ) = ( 27 -9 -3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(27|-9|-3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -24-0 13-1 7-( - 1 ) ) = ( -24 12 8 ) und AD = BC = ( 3-( - 24 ) 3-13 5-7 ) = ( 27 -10 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 12 8 ) × ( 27 -10 -2 ) = ( 12 · ( -2 ) - 8 · ( -10 ) 8 · 27 - ( -24 ) · ( -2 ) -24 · ( -10 ) - 12 · 27 ) = ( -24 +80 216 -48 240 -324 ) = ( 56 168 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 56 168 -84 ) | = 56 2 + 1682 + (-84) 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(28|13|5), B(-4|-3|1) und C(3|5|-6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -4-28 -3-13 1-5 ) = ( -32 -16 -4 ) und AC = ( 3-28 5-13 -6-5 ) = ( -25 -8 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -32 -16 -4 ) × ( -25 -8 -11 ) = ( -16 · ( -11 ) - ( -4 ) · ( -8 ) -4 · ( -25 ) - ( -32 ) · ( -11 ) -32 · ( -8 ) - ( -16 ) · ( -25 ) ) = ( 176 -32 100 -352 256 -400 ) = ( 144 -252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 -144 ) | = 144 2 + (-252)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(-5|4|4), B(1|-23|-14), C(21|-36|-8) und D(15|-9|10) und als Spitze S(-12|-25|25). 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 = ( 1-( - 5 ) -23-4 -14-4 ) = ( 6 -27 -18 ) und AD = BC = ( 21-1 -36-( - 23 ) -8-( - 14 ) ) = ( 20 -13 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -27 -18 ) × ( 20 -13 6 ) = ( -27 · 6 - ( -18 ) · ( -13 ) -18 · 20 - 6 · 6 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 ) = ( -162 -234 -360 -36 -78 +540 ) = ( -396 -396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 -396 462 ) | = (-396) 2 + (-396)2 + 462 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 = ( -5 4 4 ) + r ( 6 -27 -18 ) + s ( 20 -13 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -27 -18 ) × ( 20 -13 6 ) = ( -27 · 6 - ( -18 ) · ( -13 ) -18 · 20 - 6 · 6 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 ) = ( -162 -234 -360 -36 -78 +540 ) = ( -396 -396 462 ) = 66⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( 6 -27 -18 ) und ( 20 -13 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 4 4 ) ] ( -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(-5|4|4) erhält man
d = (-6)(-5) + (-6)4 + 74
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 34

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 ( - 25 )+7 25-34 | ( - 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|4|2), B(-1|12|-14), C(15|4|-16) und als Spitze S(17|21|13).
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 = ( -1-( - 3 ) 12-4 -14-2 ) = ( 2 8 -16 ) und AC = ( 15-( - 3 ) 4-4 -16-2 ) = ( 18 0 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 8 -16 ) × ( 18 0 -18 ) = ( 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 18 - 2 · ( -18 ) 2 · 0 - 8 · 18 ) = ( -144 +0 -288 +36 0 -144 ) = ( -144 -252 -144 ) .

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

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 ( 2 8 -16 ) + s ( 18 0 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 0 -18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -18 t -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 18 0 -18 ) , denn ( 18 0 -18 ) ( -18 t -18 ) =18(-18) + 0t + (-18)(-18) = -324+0+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 2 8 -16 ) ( -18 t -18 ) = 8⋅t +252 = 0 wird, also t= - 63 2 = - 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -18 - 63 2 -18 ) = 1 2 ( -36 -63 -36 ) = -9 2 ( 4 7 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 2 8 -16 ) × ( 18 0 -18 ) = ( 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 18 - 2 · ( -18 ) 2 · 0 - 8 · 18 ) = ( -144 +0 -288 +36 0 -144 ) = ( -144 -252 -144 )

= -36⋅ ( 4 7 4 )

Weil der Vektor ( 4 7 4 ) orthogonal zu ( 2 8 -16 ) und ( 18 0 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 4 2 ) ] ( 4 7 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|4|2) erhält man
d = 4(-3) + 74 + 42
also:

4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = 24

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 = | 4 17+7 21+4 13-24 | 4 2 + 7 2 + 4 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|5|2), der Punkt C(-3|7|0) und die Gerade g: x = ( -4 5 2 ) +t ( 2 1 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 = 13,5 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 ( 2 t t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 4 ) 7-5 0-2 ) = ( 1 2 -2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t t 2 t ) × ( 1 2 -2 ) = ( t · ( -2 ) - 2 t · 2 2 t · 1 - 2 t · ( -2 ) 2 t · 2 - t · 1 ) = ( -2 t -4 t 2 t +4 t 4 t - 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +2 t | 5 +1 t | 2 +2 t ) ergibt
B1(2|8|8).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +2 t | 5 +1 t | 2 +2 t ) ergibt
B2(-10|2|-4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +2 0 +5 0 = 60 => x= 60 4 =15, also S1(15|0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = 60 => y= 60 2 =30, also S2(0|30|0)
S3: 4 0 +2 0 +5 z = 60 => z= 60 5 =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 ⋅ 15⋅30 = 225, 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 ⋅225⋅12
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 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 24. 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 +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 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 2 = 24 |⋅6
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 12 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 + x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 1.5. 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 + 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 3 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +1 0 +1 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +1 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 0 +1 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 3 d 1 , 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 3 d 1 d 1 = d 3 18

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 3 = 1,5 |⋅18
d 3 = 27 | 3
d = 27 3 = 3

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

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

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