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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-9|7|1), B(3|-17|-7) und C(-1|-2|-9) 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 = ( -9 7 1 ) + ( -4 15 -2 ) = ( -13 22 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-13|22|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 3-( - 9 ) -17-7 -7-1 ) = ( 12 -24 -8 ) und AD = BC = ( -1-3 -2-( - 17 ) -9-( - 7 ) ) = ( -4 15 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -24 -8 ) × ( -4 15 -2 ) = ( -24 · ( -2 ) - ( -8 ) · 15 -8 · ( -4 ) - 12 · ( -2 ) 12 · 15 - ( -24 ) · ( -4 ) ) = ( 48 +120 32 +24 180 -96 ) = ( 168 56 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 56 84 ) | = 168 2 + 562 + 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(-4|6|4), B(4|-2|0) und C(-2|1|0).

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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-( - 4 ) -2-6 0-4 ) = ( 8 -8 -4 ) und AC = ( -2-( - 4 ) 1-6 0-4 ) = ( 2 -5 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -8 -4 ) × ( 2 -5 -4 ) = ( -8 · ( -4 ) - ( -4 ) · ( -5 ) -4 · 2 - 8 · ( -4 ) 8 · ( -5 ) - ( -8 ) · 2 ) = ( 32 -20 -8 +32 -40 +16 ) = ( 12 24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 -24 ) | = 12 2 + 242 + (-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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|-3|3), B(5|-19|1), C(-3|-21|-15) und D(-11|-5|-13) und als Spitze S(14|8|-17). 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 = ( 5-( - 3 ) -19-( - 3 ) 1-3 ) = ( 8 -16 -2 ) und AD = BC = ( -3-5 -21-( - 19 ) -15-1 ) = ( -8 -2 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -16 -2 ) × ( -8 -2 -16 ) = ( -16 · ( -16 ) - ( -2 ) · ( -2 ) -2 · ( -8 ) - 8 · ( -16 ) 8 · ( -2 ) - ( -16 ) · ( -8 ) ) = ( 256 -4 16 +128 -16 -128 ) = ( 252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 -144 ) | = 252 2 + 1442 + (-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.

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 = ( -3 -3 3 ) + r ( 8 -16 -2 ) + s ( -8 -2 -16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 -16 -2 ) × ( -8 -2 -16 ) = ( -16 · ( -16 ) - ( -2 ) · ( -2 ) -2 · ( -8 ) - 8 · ( -16 ) 8 · ( -2 ) - ( -16 ) · ( -8 ) ) = ( 256 -4 16 +128 -16 -128 ) = ( 252 144 -144 ) = 36⋅ ( 7 4 -4 )

Weil der Vektor ( 7 4 -4 ) orthogonal zu ( 8 -16 -2 ) und ( -8 -2 -16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -3 3 ) ] ( 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(-3|-3|3) erhält man
d = 7(-3) + 4(-3) + (-4)3
also:

7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = -45

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 14+4 8-4 ( - 17 )+45 | 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 · 324 · 27 = 2916

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|0|-4), B(21|-2|4), C(23|-18|-4) und als Spitze S(18|4|-29).
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 = ( 21-5 -2-0 4-( - 4 ) ) = ( 16 -2 8 ) und AC = ( 23-5 -18-0 -4-( - 4 ) ) = ( 18 -18 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 144 -252 ) | = 144 2 + 1442 + (-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.

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 0 -4 ) + r ( 16 -2 8 ) + s ( 18 -18 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 -18 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 18 18 t ) für jedes t orthogonal zu ( 18 -18 0 ) , denn ( 18 -18 0 ) ( 18 18 t ) =1818 + (-18)18 + 0t = 324-324+0=0.

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

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

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

= 36⋅ ( 4 4 -7 )

Weil der Vektor ( 4 4 -7 ) orthogonal zu ( 16 -2 8 ) und ( 18 -18 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 0 -4 ) ] ( 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(5|0|-4) erhält man
d = 45 + 40 + (-7)(-4)
also:

4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = 48

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 18+4 4-7 ( - 29 )-48 | 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|2|0), der Punkt C(-9|0|6) und die Gerade g: x = ( 0 2 0 ) +t ( -2 -9 -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 = 242 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 -9 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -9-0 0-2 6-0 ) = ( -9 -2 6 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 t -9 t -6 t ) × ( -9 -2 6 ) = ( -9 t · 6 - ( -6 t ) · ( -2 ) -6 t · ( -9 ) - ( -2 t ) · 6 -2 t · ( -2 ) - ( -9 t ) · ( -9 ) ) = ( -54 t -12 t 54 t +12 t 4 t -81 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 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | 2 -9 t | 0 -6 t ) ergibt
B1(-8|-34|-24).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | 2 -9 t | 0 -6 t ) ergibt
B2(8|38|24).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 + x 2 +4 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 x 1 + x 2 +4 x 3 = 12 ein.

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

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 ⋅ 12⋅12 = 72, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅72⋅3
=72

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 600. 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 +3 x 2 +5 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 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 600 |⋅24
d 2 = 14400 | 2
d1 = - 14400 = -120
d2 = 14400 = 120

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 13.5. 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 +3 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 +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 )

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 3 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 3 = d 3 54

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 54 d 3 = 13,5 |⋅54
d 3 = 729 | 3
d = 729 3 = 9

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 9

Aber auch E2: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = -9 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-3|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 9 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.