nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|2|7), B(10|-2|15) und C(1|1|3) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 2 7 ) + ( -9 3 -12 ) = ( -7 5 -5 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-7|5|-5).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-2 -2-2 15-7 ) = ( 8 -4 8 ) und AD = BC = ( 1-10 1-( - 2 ) 3-15 ) = ( -9 3 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -4 8 ) × ( -9 3 -12 ) = ( -4 · ( -12 ) - 8 · 3 8 · ( -9 ) - 8 · ( -12 ) 8 · 3 - ( -4 ) · ( -9 ) ) = ( 48 -24 -72 +96 24 -36 ) = ( 24 24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 -12 ) | = 24 2 + 242 + (-12) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|0|5), B(-3|-8|13) und C(0|1|1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -3-1 -8-0 13-5 ) = ( -4 -8 8 ) und AC = ( 0-1 1-0 1-5 ) = ( -1 1 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -8 8 ) × ( -1 1 -4 ) = ( -8 · ( -4 ) - 8 · 1 8 · ( -1 ) - ( -4 ) · ( -4 ) -4 · 1 - ( -8 ) · ( -1 ) ) = ( 32 -8 -8 -16 -4 -8 ) = ( 24 -24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 -24 -12 ) | = 24 2 + (-24)2 + (-12) 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(5|-4|3), B(-3|2|3), C(3|10|3) und D(11|4|3) und als Spitze S(8|0|6). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( -3-5 2-( - 4 ) 3-3 ) = ( -8 6 0 ) und AD = BC = ( 3-( - 3 ) 10-2 3-3 ) = ( 6 8 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 6 0 ) × ( 6 8 0 ) = ( 6 · 0 - 0 · 8 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 8 - 6 · 6 ) = ( 0+0 0+0 -64 -36 ) = ( 0 0 -100 ) .

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

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 = ( 5 -4 3 ) + r ( -8 6 0 ) + s ( 6 8 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -8 6 0 ) × ( 6 8 0 ) = ( 6 · 0 - 0 · 8 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 8 - 6 · 6 ) = ( 0+0 0+0 -64 -36 ) = ( 0 0 -100 )

= -100⋅ ( 0 0 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|-4|3) erhält man
d = 05 + 0(-4) + 13
also:

+ x 3 = 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 = | 0 8+0 0+1 6-3 | 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

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|13|-5), B(5|-14|13), C(25|-27|7) und als Spitze S(28|20|16).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 5-( - 1 ) -14-13 13-( - 5 ) ) = ( 6 -27 18 ) und AC = ( 25-( - 1 ) -27-13 7-( - 5 ) ) = ( 26 -40 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -27 18 ) × ( 26 -40 12 ) = ( -27 · 12 - 18 · ( -40 ) 18 · 26 - 6 · 12 6 · ( -40 ) - ( -27 ) · 26 ) = ( -324 +720 468 -72 -240 +702 ) = ( 396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 396 396 462 ) | = 396 2 + 3962 + 462 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 13 -5 ) + r ( 6 -27 18 ) + s ( 26 -40 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -27 18 ) × ( 26 -40 12 ) = ( -27 · 12 - 18 · ( -40 ) 18 · 26 - 6 · 12 6 · ( -40 ) - ( -27 ) · 26 ) = ( -324 +720 468 -72 -240 +702 ) = ( 396 396 462 ) = 66⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( 6 -27 18 ) und ( 26 -40 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 13 -5 ) ] ( 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|13|-5) erhält man
d = 6(-1) + 613 + 7(-5)
also:

6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = 37

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 28+6 20+7 16-37 | 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(1|-1|0), der Punkt C(1|-5|-3) und die Gerade g: x = ( 1 -1 0 ) +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 = 50 hat.

Lösung einblenden

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 = ( 1-1 -5-( - 1 ) -3-0 ) = ( 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 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +0 t | -1 -3 t | 0 +4 t ) ergibt
B1(1|-13|16).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +0 t | -1 -3 t | 0 +4 t ) ergibt
B2(1|11|-16).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

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 ⋅ 15⋅12 = 90, 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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅30
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 x 2 +3 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 600. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

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

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 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: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 120

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-24|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-40). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +3 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: 4 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 48. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 4 x +3 0 +4 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 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 4 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 4 d 3 d 4 = d 3 288

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 288 d 3 = 48 |⋅288
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

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

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

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