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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-6|-7|-1), B(6|1|23) und C(-1|1|2) 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 = ( -6 -7 -1 ) + ( -7 0 -21 ) = ( -13 -7 -22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-13|-7|-22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 6 ) 1-( - 7 ) 23-( - 1 ) ) = ( 12 8 24 ) und AD = BC = ( -1-6 1-1 2-23 ) = ( -7 0 -21 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 24 ) × ( -7 0 -21 ) = ( 8 · ( -21 ) - 24 · 0 24 · ( -7 ) - 12 · ( -21 ) 12 · 0 - 8 · ( -7 ) ) = ( -168 +0 -168 +252 0 +56 ) = ( -168 84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 84 56 ) | = (-168) 2 + 842 + 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(-3|1|-5), B(-3|-15|-17) und C(-3|4|-9).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -3-( - 3 ) -15-1 -17-( - 5 ) ) = ( 0 -16 -12 ) und AC = ( -3-( - 3 ) 4-1 -9-( - 5 ) ) = ( 0 3 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 -12 ) × ( 0 3 -4 ) = ( -16 · ( -4 ) - ( -12 ) · 3 -12 · 0 - 0 · ( -4 ) 0 · 3 - ( -16 ) · 0 ) = ( 64 +36 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 100 0 0 ) | = 100 2 + 02 + 0 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(-2|-2|-1), B(-2|10|-10), C(-2|4|-18) und D(-2|-8|-9) und als Spitze S(1|-5|-5). 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-( - 2 ) 10-( - 2 ) -10-( - 1 ) ) = ( 0 12 -9 ) und AD = BC = ( -2-( - 2 ) 4-10 -18-( - 10 ) ) = ( 0 -6 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 12 -9 ) × ( 0 -6 -8 ) = ( 12 · ( -8 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · 0 - 0 · ( -8 ) 0 · ( -6 ) - 12 · 0 ) = ( -96 -54 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -150 0 0 ) | = (-150) 2 + 02 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 = ( -2 -2 -1 ) + r ( 0 12 -9 ) + s ( 0 -6 -8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 12 -9 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 9 12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 12 -9 ) , denn ( 0 12 -9 ) ( t 9 12 ) =0t + 129 + (-9)12 = 0+108-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -6 -8 ) ( t 9 12 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 9 12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 12 -9 ) × ( 0 -6 -8 ) = ( 12 · ( -8 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · 0 - 0 · ( -8 ) 0 · ( -6 ) - 12 · 0 ) = ( -96 -54 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-2|-1) erhält man
d = 1(-2) + 0(-2) + 0(-1)
also:

x 1 = -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 = | 1 1+0 ( - 5 )+0 ( - 5 )+2 | 1 2 + 0 2 + 0 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|0|-1), B(-3|-6|-7), C(-8|-4|-11) und als Spitze S(3|3|-10).
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 = ( -3-0 -6-0 -7-( - 1 ) ) = ( -3 -6 -6 ) und AC = ( -8-0 -4-0 -11-( - 1 ) ) = ( -8 -4 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 -6 -6 ) × ( -8 -4 -10 ) = ( -6 · ( -10 ) - ( -6 ) · ( -4 ) -6 · ( -8 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( 60 -24 48 -30 12 -48 ) = ( 36 18 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 36 18 -36 ) | = 36 2 + 182 + (-36) 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 = ( 0 0 -1 ) + r ( -3 -6 -6 ) + s ( -8 -4 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 -6 -6 ) × ( -8 -4 -10 ) = ( -6 · ( -10 ) - ( -6 ) · ( -4 ) -6 · ( -8 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -8 ) ) = ( 60 -24 48 -30 12 -48 ) = ( 36 18 -36 ) = 18⋅ ( 2 1 -2 )

Weil der Vektor ( 2 1 -2 ) orthogonal zu ( -3 -6 -6 ) und ( -8 -4 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 0 -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(0|0|-1) erhält man
d = 20 + 10 + (-2)(-1)
also:

2 x 1 + x 2 -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+1 3-2 ( - 10 )-2 | 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-8|-4|1), der Punkt C(-1|4|-6) und die Gerade g: x = ( -8 -4 1 ) +t ( -8 -4 -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 = 121,5 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 ( -8 t -4 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 8 ) 4-( - 4 ) -6-1 ) = ( 7 8 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 t -4 t -1 t ) × ( 7 8 -7 ) = ( -4 t · ( -7 ) - ( - t ) · 8 - t · 7 - ( -8 t ) · ( -7 ) -8 t · 8 - ( -4 t ) · 7 ) = ( 28 t +8 t -7 t -56 t -64 t +28 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 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 -8 t | -4 -4 t | 1 -1 t ) ergibt
B1(-32|-16|-2).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 -8 t | -4 -4 t | 1 -1 t ) ergibt
B2(16|8|4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 .

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 + x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +5 0 +1 0 = 15 => x= 15 5 =3, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +5 y +1 0 = 15 => y= 15 5 =3, also S2(0|3|0)
S3: 5 0 +5 0 +1 z = 15 => z=15=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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅15
=22.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +4 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 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:

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

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

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 4 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 9 |⋅16
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +4 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: 3 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 100. 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 +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 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +3 0 +5 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 3 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 3 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 3 d 3 d 5 = d 3 270

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 270 d 3 = 100 |⋅270
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.