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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|6|8), B(-25|14|44) und C(11|13|1) 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 6 8 ) + ( 36 -1 -43 ) = ( 35 5 -35 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(35|5|-35).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -25-( - 1 ) 14-6 44-8 ) = ( -24 8 36 ) und AD = BC = ( 11-( - 25 ) 13-14 1-44 ) = ( 36 -1 -43 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 8 36 ) × ( 36 -1 -43 ) = ( 8 · ( -43 ) - 36 · ( -1 ) 36 · 36 - ( -24 ) · ( -43 ) -24 · ( -1 ) - 8 · 36 ) = ( -344 +36 1296 -1032 24 -288 ) = ( -308 264 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 264 -264 ) | = (-308) 2 + 2642 + (-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|-3|-3), B(-7|5|5) und C(-6|0|-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 = ( -7-( - 3 ) 5-( - 3 ) 5-( - 3 ) ) = ( -4 8 8 ) und AC = ( -6-( - 3 ) 0-( - 3 ) -3-( - 3 ) ) = ( -3 3 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 8 8 ) × ( -3 3 0 ) = ( 8 · 0 - 8 · 3 8 · ( -3 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 3 - 8 · ( -3 ) ) = ( 0 -24 -24 +0 -12 +24 ) = ( -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|-5|2), B(-2|1|8), C(2|3|4) und D(-1|-3|-2) und als Spitze S(3|-10|3). 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 = ( -2-( - 5 ) 1-( - 5 ) 8-2 ) = ( 3 6 6 ) und AD = BC = ( 2-( - 2 ) 3-1 4-8 ) = ( 4 2 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 6 6 ) × ( 4 2 -4 ) = ( 6 · ( -4 ) - 6 · 2 6 · 4 - 3 · ( -4 ) 3 · 2 - 6 · 4 ) = ( -24 -12 24 +12 6 -24 ) = ( -36 36 -18 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 36 -18 ) | = (-36) 2 + 362 + (-18) 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 54.

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 -5 2 ) + r ( 3 6 6 ) + s ( 4 2 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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 3-2 ( - 10 )+1 3-2 | 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 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(3|8|3), B(-13|-4|3), C(-11|-15|3) und als Spitze S(2|1|6).
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 = ( -13-3 -4-8 3-3 ) = ( -16 -12 0 ) und AC = ( -11-3 -15-8 3-3 ) = ( -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 = ( 3 8 3 ) + 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 - ( 3 8 3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|8|3) erhält man
d = 03 + 08 + 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 2+0 1+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

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-1|1|-4), der Punkt C(4|-2|4) und die Gerade g: x = ( -1 1 -4 ) +t ( 3 -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 = 73,5 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 ( 3 t -6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-( - 1 ) -2-1 4-( - 4 ) ) = ( 5 -3 8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t -6 t 2 t ) × ( 5 -3 8 ) = ( -6 t · 8 - 2 t · ( -3 ) 2 t · 5 - 3 t · 8 3 t · ( -3 ) - ( -6 t ) · 5 ) = ( -48 t +6 t 10 t -24 t -9 t +30 t ) = ( -42 t -14 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -42 t -14 t 21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +3 t | 1 -6 t | -4 +2 t ) ergibt
B1(8|-17|2).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +3 t | 1 -6 t | -4 +2 t ) ergibt
B2(-10|19|-10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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 ⋅ 12⋅12 = 72, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅72⋅15
=360

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 3. 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 +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 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +3 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 3 |⋅12
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 6

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 495. 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 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 )

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 3 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 495 |⋅180
d 3 = 89100 | 3
d = 89100 3

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 45

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -45 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-22|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 45 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.