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(7|14|-14), B(-1|2|10) und C(-5|3|1) 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 = ( 7 14 -14 ) + ( -4 1 -9 ) = ( 3 15 -23 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(3|15|-23).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -1-7 2-14 10-( - 14 ) ) = ( -8 -12 24 ) und AD = BC = ( -5-( - 1 ) 3-2 1-10 ) = ( -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 + (-168)2 + (-56) 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(-8|3|5), B(-20|19|5) und C(-9|-4|5).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -20-( - 8 ) 19-3 5-5 ) = ( -12 16 0 ) und AC = ( -9-( - 8 ) -4-3 5-5 ) = ( -1 -7 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 16 0 ) × ( -1 -7 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · ( -7 ) 0 · ( -1 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -7 ) - 16 · ( -1 ) ) = ( 0+0 0+0 84 +16 ) = ( 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(-5|-6|10), B(4|0|-8), C(11|14|-8) und D(2|8|10) und als Spitze S(-18|11|1). 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 = ( 4-( - 5 ) 0-( - 6 ) -8-10 ) = ( 9 6 -18 ) und AD = BC = ( 11-4 14-0 -8-( - 8 ) ) = ( 7 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 6 -18 ) × ( 7 14 0 ) = ( 6 · 0 - ( -18 ) · 14 -18 · 7 - 9 · 0 9 · 14 - 6 · 7 ) = ( 0 +252 -126 +0 126 -42 ) = ( 252 -126 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -126 84 ) | = 252 2 + (-126)2 + 84 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 -6 10 ) + r ( 9 6 -18 ) + s ( 7 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 14 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -14 7 t ) für jedes t orthogonal zu ( 7 14 0 ) , denn ( 7 14 0 ) ( -14 7 t ) =7(-14) + 147 + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 9 6 -18 ) ( -14 7 t ) = -18⋅t -84 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -14 7 - 14 3 ) = 1 3 ( -42 21 -14 ) = 7 3 ( -6 3 -2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 6 -18 ) × ( 7 14 0 ) = ( 6 · 0 - ( -18 ) · 14 -18 · 7 - 9 · 0 9 · 14 - 6 · 7 ) = ( 0 +252 -126 +0 126 -42 ) = ( 252 -126 84 )

= -42⋅ ( -6 3 -2 )

Weil der Vektor ( -6 3 -2 ) orthogonal zu ( 9 6 -18 ) und ( 7 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -6 10 ) ] ( -6 3 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-6|10) erhält man
d = (-6)(-5) + 3(-6) + (-2)10
also:

-6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -8

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 ( - 18 )+3 11-2 1+8 | ( - 6 ) 2 + 3 2 + ( - 2 ) 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-6|7), B(-8|0|-11), C(-15|14|-11) und als Spitze S(14|11|-2).
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 = ( -8-1 0-( - 6 ) -11-7 ) = ( -9 6 -18 ) und AC = ( -15-1 14-( - 6 ) -11-7 ) = ( -16 20 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 6 -18 ) × ( -16 20 -18 ) = ( 6 · ( -18 ) - ( -18 ) · 20 -18 · ( -16 ) - ( -9 ) · ( -18 ) -9 · 20 - 6 · ( -16 ) ) = ( -108 +360 288 -162 -180 +96 ) = ( 252 126 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 126 -84 ) | = 252 2 + 1262 + (-84) 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 -6 7 ) + r ( -9 6 -18 ) + s ( -16 20 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -9 6 -18 ) × ( -16 20 -18 ) = ( 6 · ( -18 ) - ( -18 ) · 20 -18 · ( -16 ) - ( -9 ) · ( -18 ) -9 · 20 - 6 · ( -16 ) ) = ( -108 +360 288 -162 -180 +96 ) = ( 252 126 -84 ) = 42⋅ ( 6 3 -2 )

Weil der Vektor ( 6 3 -2 ) orthogonal zu ( -9 6 -18 ) und ( -16 20 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -6 7 ) ] ( 6 3 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|-6|7) erhält man
d = 61 + 3(-6) + (-2)7
also:

6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -26

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 14+3 11-2 ( - 2 )+26 | 6 2 + 3 2 + ( - 2 ) 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 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-5|-2), der Punkt C(4|-4|-3) und die Gerade g: x = ( 0 -5 -2 ) +t ( -2 -2 -1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 13,5 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 ( -2 t -2 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-0 -4-( - 5 ) -3-( - 2 ) ) = ( 4 1 -1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 t -2 t -1 t ) × ( 4 1 -1 ) = ( -2 t · ( -1 ) - ( - t ) · 1 - t · 4 - ( -2 t ) · ( -1 ) -2 t · 1 - ( -2 t ) · 4 ) = ( 2 t + t -4 t -2 t -2 t +8 t ) = ( 3 t -6 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 3 t -6 t 6 t ) | = 9 t 2 +36 t 2 +36 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | -5 -2 t | -2 -1 t ) ergibt
B1(-6|-11|-5).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | -5 -2 t | -2 -1 t ) ergibt
B2(6|1|1).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 18 .

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 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 18 ein.

S1: 2 x +3 0 +1 0 = 18 => x= 18 2 =9, also S1(9|0|0)
S2: 2 0 +3 y +1 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +3 0 +1 z = 18 => z=18=18, also S3(0|0|18)

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 ⋅ 9⋅6 = 27, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅27⋅18
=162

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 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 18. 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:

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

S1: 2 x +5 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 5 d 5 = d 2 50

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 50 d 2 = 18 |⋅50
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30 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 +5 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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:

2 x 1 +5 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 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 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 5 d 4 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.