nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|-2|0), B(6|2|8) und C(-3|-1|-4) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 = ( -2 -2 0 ) + ( -9 -3 -12 ) = ( -11 -5 -12 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-11|-5|-12).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 2 ) 2-( - 2 ) 8-0 ) = ( 8 4 8 ) und AD = BC = ( -3-6 -1-2 -4-8 ) = ( -9 -3 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 4 8 ) × ( -9 -3 -12 ) = ( 4 · ( -12 ) - 8 · ( -3 ) 8 · ( -9 ) - 8 · ( -12 ) 8 · ( -3 ) - 4 · ( -9 ) ) = ( -48 +24 -72 +96 -24 +36 ) = ( -24 24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 12 ) | = (-24) 2 + 242 + 12 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(4|5|3), B(-28|1|19) und C(3|-3|-1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -28-4 1-5 19-3 ) = ( -32 -4 16 ) und AC = ( 3-4 -3-5 -1-3 ) = ( -1 -8 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -32 -4 16 ) × ( -1 -8 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - 16 · ( -8 ) 16 · ( -1 ) - ( -32 ) · ( -4 ) -32 · ( -8 ) - ( -4 ) · ( -1 ) ) = ( 16 +128 -16 -128 256 -4 ) = ( 144 -144 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -144 252 ) | = 144 2 + (-144)2 + 252 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|3), B(-3|8|11), C(-7|13|9) und D(1|9|1) und als Spitze S(8|13|6). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( -3-5 8-4 11-3 ) = ( -8 4 8 ) und AD = BC = ( -7-( - 3 ) 13-8 9-11 ) = ( -4 5 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 4 8 ) × ( -4 5 -2 ) = ( 4 · ( -2 ) - 8 · 5 8 · ( -4 ) - ( -8 ) · ( -2 ) -8 · 5 - 4 · ( -4 ) ) = ( -8 -40 -32 -16 -40 +16 ) = ( -48 -48 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -48 -48 -24 ) | = (-48) 2 + (-48)2 + (-24) 2 = 5184 = 72 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 72.

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 3 ) + r ( -8 4 8 ) + s ( -4 5 -2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -8 4 8 ) × ( -4 5 -2 ) = ( 4 · ( -2 ) - 8 · 5 8 · ( -4 ) - ( -8 ) · ( -2 ) -8 · 5 - 4 · ( -4 ) ) = ( -8 -40 -32 -16 -40 +16 ) = ( -48 -48 -24 ) = -24⋅ ( 2 2 1 )

Weil der Vektor ( 2 2 1 ) orthogonal zu ( -8 4 8 ) und ( -4 5 -2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 4 3 ) ] ( 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(5|4|3) erhält man
d = 25 + 24 + 13
also:

2 x 1 +2 x 2 + x 3 = 21

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 13+1 6-21 | 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 · 72 · 9 = 216

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|-3|3), B(7|-21|-1), C(-5|-25|-19) und als Spitze S(10|13|-24).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 7-( - 5 ) -21-( - 3 ) -1-3 ) = ( 12 -18 -4 ) und AC = ( -5-( - 5 ) -25-( - 3 ) -19-3 ) = ( 0 -22 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -18 -4 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -18 · ( -22 ) - ( -4 ) · ( -22 ) -4 · 0 - 12 · ( -22 ) 12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 ) = ( 396 -88 0 +264 -264 +0 ) = ( 308 264 -264 ) .

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

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 = ( -5 -3 3 ) + r ( 12 -18 -4 ) + s ( 0 -22 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -22 -22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 22 -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -22 -22 ) , denn ( 0 -22 -22 ) ( t 22 -22 ) =0t + (-22)22 + (-22)(-22) = 0-484+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 -18 -4 ) ( t 22 -22 ) = 12⋅t -308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 77 3 22 -22 ) = 1 3 ( 77 66 -66 ) = 11 3 ( 7 6 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 -18 -4 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -18 · ( -22 ) - ( -4 ) · ( -22 ) -4 · 0 - 12 · ( -22 ) 12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 ) = ( 396 -88 0 +264 -264 +0 ) = ( 308 264 -264 )

= 44⋅ ( 7 6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 6 -6 ) orthogonal zu ( 12 -18 -4 ) und ( 0 -22 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -3 3 ) ] ( 7 6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-3|3) erhält man
d = 7(-5) + 6(-3) + (-6)3
also:

7 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = -71

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 = | 7 10+6 13-6 ( - 24 )+71 | 7 2 + 6 2 + ( - 6 ) 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(5|7|0), der Punkt C(9|-2|1) und die Gerade g: x = ( 5 7 0 ) +t ( 2 6 -3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 122,5 hat.

Lösung einblenden

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 6 t -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 9-5 -2-7 1-0 ) = ( 4 -9 1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t 6 t -3 t ) × ( 4 -9 1 ) = ( 6 t · 1 - ( -3 t ) · ( -9 ) -3 t · 4 - 2 t · 1 2 t · ( -9 ) - 6 t · 4 ) = ( 6 t -27 t -12 t -2 t -18 t -24 t ) = ( -21 t -14 t -42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -21 t -14 t -42 t ) | = 441 t 2 +196 t 2 +1764 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 122,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 122,5 |⋅2

| 49t | = 245

1. Fall

49t = 245 |: 49

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 +2 t | 7 +6 t | 0 -3 t ) ergibt
B1(15|37|-15).

2. Fall

- 49t = 245 |: -49

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 +2 t | 7 +6 t | 0 -3 t ) ergibt
B2(-5|-23|15).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 18 .

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 = 18 ein.

S1: 2 x +3 0 +1 0 = 18 => x= 18 2 =9, also S1(9|0|0)
S2: 2 0 +3 y +1 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +3 0 +1 z = 18 => z=18=18, also S3(0|0|18)

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 ⋅ 9⋅6 = 27, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅27⋅18
=162

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 + 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 8. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 3 x +1 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 0 +1 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 3 d 3 = d 2 18

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 2 = 8 |⋅18
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 22.5. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 1 d 5 = d 3 150

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 150 d 3 = 22,5 |⋅150
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

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