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|-1|-4), B(-10|-25|-16) und C(-8|2|-6) 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 -1 -4 ) + ( 2 27 10 ) = ( 0 26 6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|26|6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -10-( - 2 ) -25-( - 1 ) -16-( - 4 ) ) = ( -8 -24 -12 ) und AD = BC = ( -8-( - 10 ) 2-( - 25 ) -6-( - 16 ) ) = ( 2 27 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 -12 ) × ( 2 27 10 ) = ( -24 · 10 - ( -12 ) · 27 -12 · 2 - ( -8 ) · 10 -8 · 27 - ( -24 ) · 2 ) = ( -240 +324 -24 +80 -216 +48 ) = ( 84 56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 56 -168 ) | = 84 2 + 562 + (-168) 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(23|5|18), B(-13|-3|-6) und C(-6|-10|6).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -13-23 -3-5 -6-18 ) = ( -36 -8 -24 ) und AC = ( -6-23 -10-5 6-18 ) = ( -29 -15 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 -8 -24 ) × ( -29 -15 -12 ) = ( -8 · ( -12 ) - ( -24 ) · ( -15 ) -24 · ( -29 ) - ( -36 ) · ( -12 ) -36 · ( -15 ) - ( -8 ) · ( -29 ) ) = ( 96 -360 696 -432 540 -232 ) = ( -264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 308 ) | = (-264) 2 + 2642 + 308 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-4|-6|4), B(5|12|-2), C(12|12|-16) und D(3|-6|-10) und als Spitze S(19|-9|5). 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 = ( 5-( - 4 ) 12-( - 6 ) -2-4 ) = ( 9 18 -6 ) und AD = BC = ( 12-5 12-12 -16-( - 2 ) ) = ( 7 0 -14 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 84 -126 ) | = (-252) 2 + 842 + (-126) 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 = ( -4 -6 4 ) + r ( 9 18 -6 ) + s ( 7 0 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 0 -14 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -14 t -7 ) für jedes t orthogonal zu ( 7 0 -14 ) , denn ( 7 0 -14 ) ( -14 t -7 ) =7(-14) + 0t + (-14)(-7) = -98+0+98=0.

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

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

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

= -42⋅ ( 6 -2 3 )

Weil der Vektor ( 6 -2 3 ) orthogonal zu ( 9 18 -6 ) und ( 7 0 -14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 -6 4 ) ] ( 6 -2 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-6|4) erhält man
d = 6(-4) + (-2)(-6) + 34
also:

6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = 0

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 19-2 ( - 9 )+3 5-0 | 6 2 + ( - 2 ) 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-10|-10|-2), B(26|14|-10), C(39|8|-30) und als Spitze S(-17|11|-31).
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 = ( 26-( - 10 ) 14-( - 10 ) -10-( - 2 ) ) = ( 36 24 -8 ) und AC = ( 39-( - 10 ) 8-( - 10 ) -30-( - 2 ) ) = ( 49 18 -28 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 24 -8 ) × ( 49 18 -28 ) = ( 24 · ( -28 ) - ( -8 ) · 18 -8 · 49 - 36 · ( -28 ) 36 · 18 - 24 · 49 ) = ( -672 +144 -392 +1008 648 -1176 ) = ( -528 616 -528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -528 616 -528 ) | = (-528) 2 + 6162 + (-528) 2 = 937024 = 968 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 ⋅ 968 = 484.

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 = ( -10 -10 -2 ) + r ( 36 24 -8 ) + s ( 49 18 -28 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 36 24 -8 ) × ( 49 18 -28 ) = ( 24 · ( -28 ) - ( -8 ) · 18 -8 · 49 - 36 · ( -28 ) 36 · 18 - 24 · 49 ) = ( -672 +144 -392 +1008 648 -1176 ) = ( -528 616 -528 ) = 88⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( 36 24 -8 ) und ( 49 18 -28 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -10 -10 -2 ) ] ( -6 7 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-10|-10|-2) erhält man
d = (-6)(-10) + 7(-10) + (-6)(-2)
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 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 = | -6 ( - 17 )+7 11-6 ( - 31 )-2 | ( - 6 ) 2 + 7 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 · 484 · 33 = 5324

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-9|-8|-3), der Punkt C(0|5|-3) und die Gerade g: x = ( -9 -8 -3 ) +t ( 4 3 0 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 62,5 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 ( 4 t 3 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-( - 9 ) 5-( - 8 ) -3-( - 3 ) ) = ( 9 13 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t 3 t 0 t ) × ( 9 13 0 ) = ( 3 t · 0 - 0 · 13 0 · 9 - 4 t · 0 4 t · 13 - 3 t · 9 ) = ( 0+0 0+0 52 t -27 t ) = ( 0 0 25 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 0 25 t ) | = 0+0 +625 t 2 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +4 t | -8 +3 t | -3 +0 t ) ergibt
B1(11|7|-3).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +4 t | -8 +3 t | -3 +0 t ) ergibt
B2(-29|-23|-3).

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: 4 x 1 +2 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 36. 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 +2 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 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 2 d 1 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 36 |⋅4
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

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

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

S1: 2 x +3 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 2 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 3 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: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45

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

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