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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|2|-3), B(-29|-10|-11) und C(-2|0|-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 = ( -5 2 -3 ) + ( 27 10 2 ) = ( 22 12 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(22|12|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -29-( - 5 ) -10-2 -11-( - 3 ) ) = ( -24 -12 -8 ) und AD = BC = ( -2-( - 29 ) 0-( - 10 ) -9-( - 11 ) ) = ( 27 10 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -12 -8 ) × ( 27 10 2 ) = ( -12 · 2 - ( -8 ) · 10 -8 · 27 - ( -24 ) · 2 -24 · 10 - ( -12 ) · 27 ) = ( -24 +80 -216 +48 -240 +324 ) = ( 56 -168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 56 -168 84 ) | = 56 2 + (-168)2 + 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(-10|6|3), B(6|-6|3) und C(-1|-7|3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-( - 10 ) -6-6 3-3 ) = ( 16 -12 0 ) und AC = ( -1-( - 10 ) -7-6 3-3 ) = ( 9 -13 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -12 0 ) × ( 9 -13 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -13 ) 0 · 9 - 16 · 0 16 · ( -13 ) - ( -12 ) · 9 ) = ( 0+0 0+0 -208 +108 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(1|1|-5), B(13|5|1), C(7|17|5) und D(-5|13|-1) und als Spitze S(4|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 = ( 13-1 5-1 1-( - 5 ) ) = ( 12 4 6 ) und AD = BC = ( 7-13 17-5 5-1 ) = ( -6 12 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 4 6 ) × ( -6 12 4 ) = ( 4 · 4 - 6 · 12 6 · ( -6 ) - 12 · 4 12 · 12 - 4 · ( -6 ) ) = ( 16 -72 -36 -48 144 +24 ) = ( -56 -84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -84 168 ) | = (-56) 2 + (-84)2 + 168 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.

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 1 -5 ) + r ( 12 4 6 ) + s ( -6 12 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 12 4 6 ) × ( -6 12 4 ) = ( 4 · 4 - 6 · 12 6 · ( -6 ) - 12 · 4 12 · 12 - 4 · ( -6 ) ) = ( 16 -72 -36 -48 144 +24 ) = ( -56 -84 168 ) = -28⋅ ( 2 3 -6 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|1|-5) erhält man
d = 21 + 31 + (-6)(-5)
also:

2 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = 35

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 4+3 16-6 ( - 21 )-35 | 2 2 + 3 2 + ( - 6 ) 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 196 · 21 = 1372

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|5|-1), B(-16|-7|-1), C(-14|-18|-1) und als Spitze S(-1|-2|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 = ( -16-0 -7-5 -1-( - 1 ) ) = ( -16 -12 0 ) und AC = ( -14-0 -18-5 -1-( - 1 ) ) = ( -14 -23 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -12 0 ) × ( -14 -23 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 -16 · ( -23 ) - ( -12 ) · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 368 -168 ) = ( 0 0 200 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 200 ) | = 0 2 + 02 + 200 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 = ( 0 5 -1 ) + r ( -16 -12 0 ) + s ( -14 -23 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -16 -12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 -16 t ) für jedes t orthogonal zu ( -16 -12 0 ) , denn ( -16 -12 0 ) ( 12 -16 t ) =(-16)12 + (-12)(-16) + 0t = -192+192+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 -23 0 ) ( 12 -16 t ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 12 -16 - 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -16 -12 0 ) × ( -14 -23 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 -16 · ( -23 ) - ( -12 ) · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 368 -168 ) = ( 0 0 200 )

= 200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -16 -12 0 ) und ( -14 -23 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 5 -1 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|5|-1) erhält man
d = 00 + 05 + 1(-1)
also:

+ x 3 = -1

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 ( - 2 )+1 2+1 | 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-2|-5), der Punkt C(4|-6|-8) und die Gerade g: x = ( 4 -2 -5 ) +t ( 0 -3 4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 62,5 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 ( 0 t -3 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-4 -6-( - 2 ) -8-( - 5 ) ) = ( 0 -4 -3 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t -3 t 4 t ) × ( 0 -4 -3 ) = ( -3 t · ( -3 ) - 4 t · ( -4 ) 4 t · 0 - 0 · ( -3 ) 0 · ( -4 ) - ( -3 t ) · 0 ) = ( 9 t +16 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 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +0 t | -2 -3 t | -5 +4 t ) ergibt
B1(4|-17|15).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +0 t | -2 -3 t | -5 +4 t ) ergibt
B2(4|13|-25).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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

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 ⋅ 30⋅15 = 225, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅225⋅12
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +4 x 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 32. 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 +4 x 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 2 x 1 +4 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 d 1 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 32 |⋅8
d 2 = 256 | 2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 + x 3 = 16

Aber auch E2: 2 x 1 +4 x 2 + x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-16). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +4 x 2 + x 3 = 16 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 +2 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4050. 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 +2 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 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +2 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 0 +2 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 5 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 2 d 3 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 4050 |⋅180
d 3 = 729000 | 3
d = 729000 3 = 90

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 90

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -90 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-45|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 90 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.