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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-6|-3|-6), B(10|-3|6) und C(-1|-3|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 = ( -6 -3 -6 ) + ( -11 0 -2 ) = ( -17 -3 -8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-17|-3|-8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-( - 6 ) -3-( - 3 ) 6-( - 6 ) ) = ( 16 0 12 ) und AD = BC = ( -1-10 -3-( - 3 ) 4-6 ) = ( -11 0 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 0 12 ) × ( -11 0 -2 ) = ( 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · ( -11 ) - 16 · ( -2 ) 16 · 0 - 0 · ( -11 ) ) = ( 0+0 -132 +32 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 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(1|-6|0), B(5|2|-8) und C(5|-4|-5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 5-1 2-( - 6 ) -8-0 ) = ( 4 8 -8 ) und AC = ( 5-1 -4-( - 6 ) -5-0 ) = ( 4 2 -5 ) .

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

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(3|5|6), B(3|-4|-6), C(3|-15|-4) und D(3|-6|8) und als Spitze S(6|-2|5). 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 = ( 3-3 -4-5 -6-6 ) = ( 0 -9 -12 ) und AD = BC = ( 3-3 -15-( - 4 ) -4-( - 6 ) ) = ( 0 -11 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -9 -12 ) × ( 0 -11 2 ) = ( -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -18 -132 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -150 0 0 ) | = (-150) 2 + 02 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 5 6 ) + r ( 0 -9 -12 ) + s ( 0 -11 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -9 -12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 12 -9 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -9 -12 ) , denn ( 0 -9 -12 ) ( t 12 -9 ) =0t + (-9)12 + (-12)(-9) = 0-108+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -11 2 ) ( t 12 -9 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 12 -9 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -9 -12 ) × ( 0 -11 2 ) = ( -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -18 -132 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -9 -12 ) und ( 0 -11 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 5 6 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|5|6) erhält man
d = 13 + 05 + 06
also:

x 1 = 3

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 = | 1 6+0 ( - 2 )+0 5-3 | 1 2 + 0 2 + 0 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|7|-7), B(-4|1|-1), C(-9|-3|-3) und als Spitze S(-10|10|-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 = ( -4-( - 1 ) 1-7 -1-( - 7 ) ) = ( -3 -6 6 ) und AC = ( -9-( - 1 ) -3-7 -3-( - 7 ) ) = ( -8 -10 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 -6 6 ) × ( -8 -10 4 ) = ( -6 · 4 - 6 · ( -10 ) 6 · ( -8 ) - ( -3 ) · 4 -3 · ( -10 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( -24 +60 -48 +12 30 -48 ) = ( 36 -36 -18 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 36 -36 -18 ) | = 36 2 + (-36)2 + (-18) 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 = ( -1 7 -7 ) + r ( -3 -6 6 ) + s ( -8 -10 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 -6 6 ) × ( -8 -10 4 ) = ( -6 · 4 - 6 · ( -10 ) 6 · ( -8 ) - ( -3 ) · 4 -3 · ( -10 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( -24 +60 -48 +12 30 -48 ) = ( 36 -36 -18 ) = -18⋅ ( -2 2 1 )

Weil der Vektor ( -2 2 1 ) orthogonal zu ( -3 -6 6 ) und ( -8 -10 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 7 -7 ) ] ( -2 2 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -2 x 1 +2 x 2 + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|7|-7) erhält man
d = (-2)(-1) + 27 + 1(-7)
also:

-2 x 1 +2 x 2 + x 3 = 9

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 ( - 10 )+2 10+1 ( - 4 )-9 | ( - 2 ) 2 + 2 2 + 1 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(24|22|-3), der Punkt C(-5|10|12) und die Gerade g: x = ( 24 22 -3 ) +t ( -9 -6 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 = 121 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 ( -9 t -6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -5-24 10-22 12-( - 3 ) ) = ( -29 -12 15 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 t -6 t 2 t ) × ( -29 -12 15 ) = ( -6 t · 15 - 2 t · ( -12 ) 2 t · ( -29 ) - ( -9 t ) · 15 -9 t · ( -12 ) - ( -6 t ) · ( -29 ) ) = ( -90 t +24 t -58 t +135 t 108 t -174 t ) = ( -66 t 77 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -66 t 77 t -66 t ) | = 4356 t 2 +5929 t 2 +4356 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 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 24 -9 t | 22 -6 t | -3 +2 t ) ergibt
B1(6|10|1).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 24 -9 t | 22 -6 t | -3 +2 t ) ergibt
B2(42|34|-7).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24 .

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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24 ein.

S1: 4 x +3 0 +2 0 = 24 => x= 24 4 =6, also S1(6|0|0)
S2: 4 0 +3 y +2 0 = 24 => y= 24 3 =8, also S2(0|8|0)
S3: 4 0 +3 0 +2 z = 24 => z= 24 2 =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 ⋅ 6⋅8 = 24, 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 ⋅24⋅12
=96

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 + x 2 + 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 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 + 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 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +1 0 +1 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +1 y +1 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 5 0 +1 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 1 = 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 + x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 + 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|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 + x 2 + 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: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 96. 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 +3 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 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 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 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 3 d 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 96 |⋅144
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.