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(-3|-1|8), B(1|-17|40) und C(4|7|1) 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 = ( -3 -1 8 ) + ( 3 24 -39 ) = ( 0 23 -31 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|23|-31).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-( - 3 ) -17-( - 1 ) 40-8 ) = ( 4 -16 32 ) und AD = BC = ( 4-1 7-( - 17 ) 1-40 ) = ( 3 24 -39 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 32 ) × ( 3 24 -39 ) = ( -16 · ( -39 ) - 32 · 24 32 · 3 - 4 · ( -39 ) 4 · 24 - ( -16 ) · 3 ) = ( 624 -768 96 +156 96 +48 ) = ( -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(-2|-6|3), B(10|18|11) und C(3|-3|11).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 10-( - 2 ) 18-( - 6 ) 11-3 ) = ( 12 24 8 ) und AC = ( 3-( - 2 ) -3-( - 6 ) 11-3 ) = ( 5 3 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 24 8 ) × ( 5 3 8 ) = ( 24 · 8 - 8 · 3 8 · 5 - 12 · 8 12 · 3 - 24 · 5 ) = ( 192 -24 40 -96 36 -120 ) = ( 168 -56 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 -56 -84 ) | = 168 2 + (-56)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(-10|-5|-1), B(14|-2|11), C(24|15|7) und D(0|12|-5) und als Spitze S(-13|16|20). 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 = ( 14-( - 10 ) -2-( - 5 ) 11-( - 1 ) ) = ( 24 3 12 ) und AD = BC = ( 24-14 15-( - 2 ) 7-11 ) = ( 10 17 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 3 12 ) × ( 10 17 -4 ) = ( 3 · ( -4 ) - 12 · 17 12 · 10 - 24 · ( -4 ) 24 · 17 - 3 · 10 ) = ( -12 -204 120 +96 408 -30 ) = ( -216 216 378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 216 378 ) | = (-216) 2 + 2162 + 378 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( -10 -5 -1 ) + r ( 24 3 12 ) + s ( 10 17 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 3 12 ) × ( 10 17 -4 ) = ( 3 · ( -4 ) - 12 · 17 12 · 10 - 24 · ( -4 ) 24 · 17 - 3 · 10 ) = ( -12 -204 120 +96 408 -30 ) = ( -216 216 378 ) = 54⋅ ( -4 4 7 )

Weil der Vektor ( -4 4 7 ) orthogonal zu ( 24 3 12 ) und ( 10 17 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -10 -5 -1 ) ] ( -4 4 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-10|-5|-1) erhält man
d = (-4)(-10) + 4(-5) + 7(-1)
also:

-4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = 13

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 ( - 13 )+4 16+7 20-13 | ( - 4 ) 2 + 4 2 + 7 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|2|5), B(-10|0|21), C(-2|-16|23) und als Spitze S(23|6|18).
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 = ( -10-( - 2 ) 0-2 21-5 ) = ( -8 -2 16 ) und AC = ( -2-( - 2 ) -16-2 23-5 ) = ( 0 -18 18 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 144 ) | = 252 2 + 1442 + 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 = ( -2 2 5 ) + r ( -8 -2 16 ) + s ( 0 -18 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -18 18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -18 -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -18 18 ) , denn ( 0 -18 18 ) ( t -18 -18 ) =0t + (-18)(-18) + 18(-18) = 0+324-324=0.

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

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

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

= 36⋅ ( 7 4 4 )

Weil der Vektor ( 7 4 4 ) orthogonal zu ( -8 -2 16 ) und ( 0 -18 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 2 5 ) ] ( 7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|2|5) erhält man
d = 7(-2) + 42 + 45
also:

7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 14

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 23+4 6+4 18-14 | 7 2 + 4 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(11|6|-4), der Punkt C(2|5|-8) und die Gerade g: x = ( 11 6 -4 ) +t ( 6 3 -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 = 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 ( 6 t 3 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 2-11 5-6 -8-( - 4 ) ) = ( -9 -1 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -14 t 42 t 21 t ) | = 196 t 2 +1764 t 2 +441 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 ( 11 +6 t | 6 +3 t | -4 -2 t ) ergibt
B1(41|21|-14).

2. Fall

- 49t = 245 |: -49

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 11 +6 t | 6 +3 t | -4 -2 t ) ergibt
B2(-19|-9|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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 4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60 ein.

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

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⋅12 = 90, 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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅30
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 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.

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:

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

S1: 4 x +2 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 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 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 24 |⋅24
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +3 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 +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 150. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +5 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 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 3 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 3 d 2 d 5 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.