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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|1|-5), B(2|-11|11) und C(2|-6|-4) 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 = ( 2 1 -5 ) + ( 0 5 -15 ) = ( 2 6 -20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(2|6|-20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 2-2 -11-1 11-( - 5 ) ) = ( 0 -12 16 ) und AD = BC = ( 2-2 -6-( - 11 ) -4-11 ) = ( 0 5 -15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 16 ) × ( 0 5 -15 ) = ( -12 · ( -15 ) - 16 · 5 16 · 0 - 0 · ( -15 ) 0 · 5 - ( -12 ) · 0 ) = ( 180 -80 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

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

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(4|-2|5), B(12|10|29) und C(8|-3|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 12-4 10-( - 2 ) 29-5 ) = ( 8 12 24 ) und AC = ( 8-4 -3-( - 2 ) -4-5 ) = ( 4 -1 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 12 24 ) × ( 4 -1 -9 ) = ( 12 · ( -9 ) - 24 · ( -1 ) 24 · 4 - 8 · ( -9 ) 8 · ( -1 ) - 12 · 4 ) = ( -108 +24 96 +72 -8 -48 ) = ( -84 168 -56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 168 -56 ) | = (-84) 2 + 1682 + (-56) 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(-3|3|4), B(-5|19|12), C(-21|21|4) und D(-19|5|-4) und als Spitze S(1|16|-21). 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 12-4 ) = ( -2 16 8 ) und AD = BC = ( -21-( - 5 ) 21-19 4-12 ) = ( -16 2 -8 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 -144 252 ) | = (-144) 2 + (-144)2 + 252 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 4 ) + r ( -2 16 8 ) + s ( -16 2 -8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 4 4 -7 ) orthogonal zu ( -2 16 8 ) und ( -16 2 -8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 3 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(-3|3|4) erhält man
d = 4(-3) + 43 + (-7)4
also:

4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = -28

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 1+4 16-7 ( - 21 )+28 | 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 · 324 · 27 = 2916

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|4|-5), B(1|12|-5), C(9|6|-5) und als Spitze S(-1|1|-2).
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-( - 5 ) 12-4 -5-( - 5 ) ) = ( 6 8 0 ) und AC = ( 9-( - 5 ) 6-4 -5-( - 5 ) ) = ( 14 2 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 8 0 ) × ( 14 2 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · 2 0 · 14 - 6 · 0 6 · 2 - 8 · 14 ) = ( 0+0 0+0 12 -112 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

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 4 -5 ) + r ( 6 8 0 ) + s ( 14 2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 8 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -8 6 t ) für jedes t orthogonal zu ( 6 8 0 ) , denn ( 6 8 0 ) ( -8 6 t ) =6(-8) + 86 + 0t = -48+48+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 14 2 0 ) ( -8 6 t ) = 0⋅t -100 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 6 8 0 ) × ( 14 2 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · 2 0 · 14 - 6 · 0 6 · 2 - 8 · 14 ) = ( 0+0 0+0 12 -112 ) = ( 0 0 -100 )

= -100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 6 8 0 ) und ( 14 2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 4 -5 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|4|-5) erhält man
d = 0(-5) + 04 + 1(-5)
also:

+ x 3 = -5

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 1+1 ( - 2 )+5 | 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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(6|-2|12), der Punkt C(-2|5|5) und die Gerade g: x = ( 6 -2 12 ) +t ( 4 1 8 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121,5 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 ( 4 t t 8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -2-6 5-( - 2 ) 5-12 ) = ( -8 7 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t t 8 t ) × ( -8 7 -7 ) = ( t · ( -7 ) - 8 t · 7 8 t · ( -8 ) - 4 t · ( -7 ) 4 t · 7 - t · ( -8 ) ) = ( -7 t -56 t -64 t +28 t 28 t +8 t ) = ( -63 t -36 t 36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -63 t -36 t 36 t ) | = 3969 t 2 +1296 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 6 +4 t | -2 +1 t | 12 +8 t ) ergibt
B1(18|1|36).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 6 +4 t | -2 +1 t | 12 +8 t ) ergibt
B2(-6|-5|-12).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 3 x +3 0 +5 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 0 +3 y +5 0 = 30 => y= 30 3 =10, also S2(0|10|0)
S3: 3 0 +3 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =6, also S3(0|0|6)

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 ⋅ 10⋅10 = 50, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅50⋅6
=100

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 12. 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 +3 x 2 +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 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

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

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. 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:

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

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

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 2 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 1 d 4 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = 12

Aber auch E2: 2 x 1 + x 2 +4 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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