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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|2|-5), B(7|26|31) und C(8|-4|-3) 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 = ( -1 2 -5 ) + ( 1 -30 -34 ) = ( 0 -28 -39 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|-28|-39).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 7-( - 1 ) 26-2 31-( - 5 ) ) = ( 8 24 36 ) und AD = BC = ( 8-7 -4-26 -3-31 ) = ( 1 -30 -34 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 24 36 ) × ( 1 -30 -34 ) = ( 24 · ( -34 ) - 36 · ( -30 ) 36 · 1 - 8 · ( -34 ) 8 · ( -30 ) - 24 · 1 ) = ( -816 +1080 36 +272 -240 -24 ) = ( 264 308 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 -264 ) | = 264 2 + 3082 + (-264) 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(3|-5|-3), B(-5|-13|1) und C(7|-4|-2).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -5-3 -13-( - 5 ) 1-( - 3 ) ) = ( -8 -8 4 ) und AC = ( 7-3 -4-( - 5 ) -2-( - 3 ) ) = ( 4 1 1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 24 24 ) | = (-12) 2 + 242 + 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(9|7|7), B(-15|-5|-1), C(-15|-12|-15) und D(9|0|-7) und als Spitze S(12|-16|8). 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 = ( -15-9 -5-7 -1-7 ) = ( -24 -12 -8 ) und AD = BC = ( -15-( - 15 ) -12-( - 5 ) -15-( - 1 ) ) = ( 0 -7 -14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -12 -8 ) × ( 0 -7 -14 ) = ( -12 · ( -14 ) - ( -8 ) · ( -7 ) -8 · 0 - ( -24 ) · ( -14 ) -24 · ( -7 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 168 -56 0 -336 168 +0 ) = ( 112 -336 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 112 -336 168 ) | = 112 2 + (-336)2 + 168 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 = ( 9 7 7 ) + r ( -24 -12 -8 ) + s ( 0 -7 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -7 -14 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 14 -7 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -7 -14 ) , denn ( 0 -7 -14 ) ( t 14 -7 ) =0t + (-7)14 + (-14)(-7) = 0-98+98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -24 -12 -8 ) ( t 14 -7 ) = -24⋅t -112 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -24 -12 -8 ) × ( 0 -7 -14 ) = ( -12 · ( -14 ) - ( -8 ) · ( -7 ) -8 · 0 - ( -24 ) · ( -14 ) -24 · ( -7 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 168 -56 0 -336 168 +0 ) = ( 112 -336 168 )

= 56⋅ ( 2 -6 3 )

Weil der Vektor ( 2 -6 3 ) orthogonal zu ( -24 -12 -8 ) und ( 0 -7 -14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 9 7 7 ) ] ( 2 -6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(9|7|7) erhält man
d = 29 + (-6)7 + 37
also:

2 x 1 -6 x 2 +3 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 = | 2 12-6 ( - 16 )+3 8+3 | 2 2 + ( - 6 ) 2 + 3 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|-5|-2), B(-16|4|-8), C(-10|8|-20) und als Spitze S(11|15|1).
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 = ( -16-2 4-( - 5 ) -8-( - 2 ) ) = ( -18 9 -6 ) und AC = ( -10-2 8-( - 5 ) -20-( - 2 ) ) = ( -12 13 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 9 -6 ) × ( -12 13 -18 ) = ( 9 · ( -18 ) - ( -6 ) · 13 -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · 13 - 9 · ( -12 ) ) = ( -162 +78 72 -324 -234 +108 ) = ( -84 -252 -126 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -252 -126 ) | = (-84) 2 + (-252)2 + (-126) 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 = ( 2 -5 -2 ) + r ( -18 9 -6 ) + s ( -12 13 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -18 9 -6 ) × ( -12 13 -18 ) = ( 9 · ( -18 ) - ( -6 ) · 13 -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · 13 - 9 · ( -12 ) ) = ( -162 +78 72 -324 -234 +108 ) = ( -84 -252 -126 ) = -42⋅ ( 2 6 3 )

Weil der Vektor ( 2 6 3 ) orthogonal zu ( -18 9 -6 ) und ( -12 13 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -5 -2 ) ] ( 2 6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-5|-2) erhält man
d = 22 + 6(-5) + 3(-2)
also:

2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = -32

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 11+6 15+3 1+32 | 2 2 + 6 2 + 3 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(-4|5|-2), der Punkt C(4|9|-3) und die Gerade g: x = ( -4 5 -2 ) +t ( 1 -4 -8 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 162 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 ( t -4 t -8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-( - 4 ) 9-5 -3-( - 2 ) ) = ( 8 4 -1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -4 t -8 t ) × ( 8 4 -1 ) = ( -4 t · ( -1 ) - ( -8 t ) · 4 -8 t · 8 - t · ( -1 ) t · 4 - ( -4 t ) · 8 ) = ( 4 t +32 t -64 t + t 4 t +32 t ) = ( 36 t -63 t 36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 36 t -63 t 36 t ) | = 1296 t 2 +3969 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 162 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 162 |⋅2

| 81t | = 324

1. Fall

81t = 324 |: 81

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +1 t | 5 -4 t | -2 -8 t ) ergibt
B1(0|-11|-34).

2. Fall

- 81t = 324 |: -81

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +1 t | 5 -4 t | -2 -8 t ) ergibt
B2(-8|21|30).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 45 .

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 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 45 ein.

S1: 3 x +5 0 +2 0 = 45 => x= 990 3 =330, also S1(15|0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = 45 => y= 990 5 =198, also S2(0|9|0)
S3: 3 0 +5 0 +2 z = 45 => z= 990 2 =495, also S3(0|0|22)

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⋅9 = 67.5, 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= 22 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅67.5⋅22
=495

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +5 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 300. 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:

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

S1: 3 x +2 0 +5 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 300 |⋅12
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60 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 +4 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 9. 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:

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

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

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 4 , 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 4 d 2 = d 3 192

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 192 d 3 = 9 |⋅192
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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