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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|13|-16), B(2|-3|16) und C(8|9|1) 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 13 -16 ) + ( 6 12 -15 ) = ( 4 25 -31 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(4|25|-31).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 2-( - 2 ) -3-13 16-( - 16 ) ) = ( 4 -16 32 ) und AD = BC = ( 8-2 9-( - 3 ) 1-16 ) = ( 6 12 -15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 32 ) × ( 6 12 -15 ) = ( -16 · ( -15 ) - 32 · 12 32 · 6 - 4 · ( -15 ) 4 · 12 - ( -16 ) · 6 ) = ( 240 -384 192 +60 48 +96 ) = ( -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(0|-13|-3), B(16|19|1) und C(0|-4|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 = ( 16-0 19-( - 13 ) 1-( - 3 ) ) = ( 16 32 4 ) und AC = ( 0-0 -4-( - 13 ) 6-( - 3 ) ) = ( 0 9 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 32 4 ) × ( 0 9 9 ) = ( 32 · 9 - 4 · 9 4 · 0 - 16 · 9 16 · 9 - 32 · 0 ) = ( 288 -36 0 -144 144 +0 ) = ( 252 -144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -144 144 ) | = 252 2 + (-144)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(1|-12|2), B(-7|24|-22), C(-27|37|-16) und D(-19|1|8) und als Spitze S(8|17|23). 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 = ( -7-1 24-( - 12 ) -22-2 ) = ( -8 36 -24 ) und AD = BC = ( -27-( - 7 ) 37-24 -16-( - 22 ) ) = ( -20 13 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 36 -24 ) × ( -20 13 6 ) = ( 36 · 6 - ( -24 ) · 13 -24 · ( -20 ) - ( -8 ) · 6 -8 · 13 - 36 · ( -20 ) ) = ( 216 +312 480 +48 -104 +720 ) = ( 528 528 616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 528 528 616 ) | = 528 2 + 5282 + 616 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 968.

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 = ( 1 -12 2 ) + r ( -8 36 -24 ) + s ( -20 13 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -8 36 -24 ) × ( -20 13 6 ) = ( 36 · 6 - ( -24 ) · 13 -24 · ( -20 ) - ( -8 ) · 6 -8 · 13 - 36 · ( -20 ) ) = ( 216 +312 480 +48 -104 +720 ) = ( 528 528 616 ) = 88⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( -8 36 -24 ) und ( -20 13 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -12 2 ) ] ( 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(1|-12|2) erhält man
d = 61 + 6(-12) + 72
also:

6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = -52

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 8+6 17+7 23+52 | 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|-2|0), B(-2|-6|-2), C(-4|-2|-6) und als Spitze S(-5|3|4).
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 = ( -2-2 -6-( - 2 ) -2-0 ) = ( -4 -4 -2 ) und AC = ( -4-2 -2-( - 2 ) -6-0 ) = ( -6 0 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -4 -2 ) × ( -6 0 -6 ) = ( -4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 -2 · ( -6 ) - ( -4 ) · ( -6 ) -4 · 0 - ( -4 ) · ( -6 ) ) = ( 24 +0 12 -24 0 -24 ) = ( 24 -12 -24 ) .

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

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 0 ) + r ( -4 -4 -2 ) + s ( -6 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 0 -6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 t 6 ) für jedes t orthogonal zu ( -6 0 -6 ) , denn ( -6 0 -6 ) ( -6 t 6 ) =(-6)(-6) + 0t + (-6)6 = 36+0-36=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -4 -4 -2 ) ( -6 t 6 ) = -4⋅t +12 = 0 wird, also t=3 = 3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 3 6 ) = 3 1 ( -2 1 2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -4 -4 -2 ) × ( -6 0 -6 ) = ( -4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 -2 · ( -6 ) - ( -4 ) · ( -6 ) -4 · 0 - ( -4 ) · ( -6 ) ) = ( 24 +0 12 -24 0 -24 ) = ( 24 -12 -24 )

= -12⋅ ( -2 1 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-2|0) erhält man
d = (-2)2 + 1(-2) + 20
also:

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

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 ( - 5 )+1 3+2 4+6 | ( - 2 ) 2 + 1 2 + 2 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-3|-2), der Punkt C(0|-2|-9) und die Gerade g: x = ( 0 -3 -2 ) +t ( 0 4 -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 = 25 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 ( 0 t 4 t -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-0 -2-( - 3 ) -9-( - 2 ) ) = ( 0 1 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 4 t -3 t ) × ( 0 1 -7 ) = ( 4 t · ( -7 ) - ( -3 t ) · 1 -3 t · 0 - 0 · ( -7 ) 0 · 1 - 4 t · 0 ) = ( -28 t +3 t 0+0 0+0 ) = ( -25 t 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -25 t 0 0 ) | = 625 t 2 +0+0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 25 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 25 |⋅2

| 25t | = 50

1. Fall

25t = 50 |: 25

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +0 t | -3 +4 t | -2 -3 t ) ergibt
B1(0|5|-8).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +0 t | -3 +4 t | -2 -3 t ) ergibt
B2(0|-11|4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 + x 2 + x 3 = 15 .

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 5 x 1 + x 2 + x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +1 0 +1 0 = 15 => x= 15 5 =3, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +1 y +1 0 = 15 => y=15=15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +1 0 +1 z = 15 => z=15=15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 3⋅15 = 22.5, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅22.5⋅15
=112.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 + x 2 +5 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 40. 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:

5 x 1 + 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 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 )

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 1 d 5 = d 2 10

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 10 d 2 = 40 |⋅10
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 20 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 37.5. 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:

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

S1: 1 x +3 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 1 0 +3 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 1 d 3 , 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 1 d 3 d 5 = d 3 90

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 90 d 3 = 37,5 |⋅90
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

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

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

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