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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(17|0|19), B(-7|-8|-17) 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 = ( 17 0 19 ) + ( 18 -5 16 ) = ( 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 = ( -7-17 -8-0 -17-19 ) = ( -24 -8 -36 ) und AD = BC = ( 11-( - 7 ) -13-( - 8 ) -1-( - 17 ) ) = ( 18 -5 16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -8 -36 ) × ( 18 -5 16 ) = ( -8 · 16 - ( -36 ) · ( -5 ) -36 · 18 - ( -24 ) · 16 -24 · ( -5 ) - ( -8 ) · 18 ) = ( -128 -180 -648 +384 120 +144 ) = ( -308 -264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 -264 264 ) | = (-308) 2 + (-264)2 + 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|-1), B(-11|11|-5) und C(-4|1|-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 = ( -11-( - 3 ) 11-3 -5-( - 1 ) ) = ( -8 8 -4 ) und AC = ( -4-( - 3 ) 1-3 -3-( - 1 ) ) = ( -1 -2 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 8 -4 ) × ( -1 -2 -2 ) = ( 8 · ( -2 ) - ( -4 ) · ( -2 ) -4 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -2 ) -8 · ( -2 ) - 8 · ( -1 ) ) = ( -16 -8 4 -16 16 +8 ) = ( -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(-4|1|-4), B(14|-5|-31), C(2|-23|-35) und D(-16|-17|-8) und als Spitze S(11|-26|12). 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 = ( 14-( - 4 ) -5-1 -31-( - 4 ) ) = ( 18 -6 -27 ) und AD = BC = ( 2-14 -23-( - 5 ) -35-( - 31 ) ) = ( -12 -18 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 -6 -27 ) × ( -12 -18 -4 ) = ( -6 · ( -4 ) - ( -27 ) · ( -18 ) -27 · ( -12 ) - 18 · ( -4 ) 18 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -12 ) ) = ( 24 -486 324 +72 -324 -72 ) = ( -462 396 -396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -462 396 -396 ) | = (-462) 2 + 3962 + (-396) 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 = ( -4 1 -4 ) + r ( 18 -6 -27 ) + s ( -12 -18 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 -6 -27 ) × ( -12 -18 -4 ) = ( -6 · ( -4 ) - ( -27 ) · ( -18 ) -27 · ( -12 ) - 18 · ( -4 ) 18 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -12 ) ) = ( 24 -486 324 +72 -324 -72 ) = ( -462 396 -396 ) = -66⋅ ( 7 -6 6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 6 ) orthogonal zu ( 18 -6 -27 ) und ( -12 -18 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 1 -4 ) ] ( 7 -6 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|1|-4) erhält man
d = 7(-4) + (-6)1 + 6(-4)
also:

7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = -58

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 = | 7 11-6 ( - 26 )+6 12+58 | 7 2 + ( - 6 ) 2 + 6 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-1|1), B(-5|-5|5), C(-9|-1|7) und als Spitze S(1|4|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 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-( - 3 ) -5-( - 1 ) 5-1 ) = ( -2 -4 4 ) und AC = ( -9-( - 3 ) -1-( - 1 ) 7-1 ) = ( -6 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 -4 4 ) × ( -6 0 6 ) = ( -4 · 6 - 4 · 0 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 6 -2 · 0 - ( -4 ) · ( -6 ) ) = ( -24 +0 -24 +12 0 -24 ) = ( -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.

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 -1 1 ) + r ( -2 -4 4 ) + s ( -6 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 0 6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 6 t 6 ) für jedes t orthogonal zu ( -6 0 6 ) , denn ( -6 0 6 ) ( 6 t 6 ) =(-6)6 + 0t + 66 = -36+0+36=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 -4 4 ) ( 6 t 6 ) = -4⋅t +12 = 0 wird, also t=3 = 3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 6 3 6 ) = 3 1 ( 2 1 2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -2 -4 4 ) × ( -6 0 6 ) = ( -4 · 6 - 4 · 0 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 6 -2 · 0 - ( -4 ) · ( -6 ) ) = ( -24 +0 -24 +12 0 -24 ) = ( -24 -12 -24 )

= -12⋅ ( 2 1 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-1|1) erhält man
d = 2(-3) + 1(-1) + 21
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -5

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 1+1 4+2 8+5 | 2 2 + 1 2 + 2 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-17|22|-10), der Punkt C(-5|-7|5) und die Gerade g: x = ( -17 22 -10 ) +t ( 6 -9 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 = 302,5 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 ( 6 t -9 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -5-( - 17 ) -7-22 5-( - 10 ) ) = ( 12 -29 15 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -77 t -66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 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 302,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 302,5 |⋅2

| 121t | = 605

1. Fall

121t = 605 |: 121

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -17 +6 t | 22 -9 t | -10 +2 t ) ergibt
B1(13|-23|0).

2. Fall

- 121t = 605 |: -121

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -17 +6 t | 22 -9 t | -10 +2 t ) ergibt
B2(-47|67|-20).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 .

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 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +5 0 +2 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +5 y +2 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +5 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =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 ⋅ 15⋅6 = 45, 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 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 5 x +5 0 +1 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 0 +5 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: 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 +5 x 2 + x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 + x 3 = -20 ist eine Lösung.

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 24. 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 + 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 3 x 1 + x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +1 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +4 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 0 +1 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 3 d 1 , 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 3 d 1 d 4 = d 3 72

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 72 d 3 = 24 |⋅72
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

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

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