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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(16|-1|-10), B(-8|7|2) und C(1|11|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 → = ( 16 -1 -10 ) + ( 9 4 -1 ) = ( 25 3 -11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(25|3|-11).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -8-16 7-( - 1 ) 2-( - 10 ) ) = ( -24 8 12 ) und AD → = BC → = ( 1-( - 8 ) 11-7 1-2 ) = ( 9 4 -1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -24 8 12 ) × ( 9 4 -1 ) = ( 8 · ( -1 ) - 12 · 4 12 · 9 - ( -24 ) · ( -1 ) -24 · 4 - 8 · 9 ) = ( -8 -48 108 -24 -96 -72 ) = ( -56 84 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -56 84 -168 ) | = (-56) 2 + 842 + (-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(-3|5|-4), B(-7|21|-36) und C(-10|-3|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 ) 21-5 -36-( - 4 ) ) = ( -4 16 -32 ) und AC → = ( -10-( - 3 ) -3-5 3-( - 4 ) ) = ( -7 -8 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 16 -32 ) × ( -7 -8 7 ) = ( 16 · 7 - ( -32 ) · ( -8 ) -32 · ( -7 ) - ( -4 ) · 7 -4 · ( -8 ) - 16 · ( -7 ) ) = ( 112 -256 224 +28 32 +112 ) = ( -144 252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -144 252 144 ) | = (-144) 2 + 2522 + 144 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-1|5|1), B(8|-7|1), C(16|-1|1) und D(7|11|1) und als Spitze S(3|8|4). 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 → = ( 8-( - 1 ) -7-5 1-1 ) = ( 9 -12 0 ) und AD → = BC → = ( 16-8 -1-( - 7 ) 1-1 ) = ( 8 6 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 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 → = ( -1 5 1 ) + r ⋅ ( 9 -12 0 ) + s ⋅ ( 8 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 9 -12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 9 t ) für jedes t orthogonal zu ( 9 -12 0 ) , denn ( 9 -12 0 ) ∘ ( 12 9 t ) =9⋅12 + (-12)⋅9 + 0⋅t = 108-108+0=0.

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

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

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

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 9 -12 0 ) und ( 8 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -1 5 1 ) ] ∘ ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|5|1) erhält man
d = 0⋅(-1) + 0⋅5 + 1⋅1
also:

+ x 3 = 1

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 ⋅ 3+0 ⋅ 8+1 ⋅ 4-1 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-2|0), B(-4|22|12), C(-20|24|4) und als Spitze S(3|11|-25).
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 → = ( -4-( - 1 ) 22-( - 2 ) 12-0 ) = ( -3 24 12 ) und AC → = ( -20-( - 1 ) 24-( - 2 ) 4-0 ) = ( -19 26 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -3 24 12 ) × ( -19 26 4 ) = ( 24 · 4 - 12 · 26 12 · ( -19 ) - ( -3 ) · 4 -3 · 26 - 24 · ( -19 ) ) = ( 96 -312 -228 +12 -78 +456 ) = ( -216 -216 378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -216 -216 378 ) | = (-216) 2 + (-216)2 + 378 2 = 236196 = 486 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 ⋅ 486 = 243.

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 → = ( -1 -2 0 ) + r ⋅ ( -3 24 12 ) + s ⋅ ( -19 26 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -3 24 12 ) × ( -19 26 4 ) = ( 24 · 4 - 12 · 26 12 · ( -19 ) - ( -3 ) · 4 -3 · 26 - 24 · ( -19 ) ) = ( 96 -312 -228 +12 -78 +456 ) = ( -216 -216 378 ) = -54⋅ ( 4 4 -7 )

Weil der Vektor ( 4 4 -7 ) orthogonal zu ( -3 24 12 ) und ( -19 26 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -1 -2 0 ) ] ∘ ( 4 4 -7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-2|0) erhält man
d = 4⋅(-1) + 4⋅(-2) + (-7)⋅0
also:

4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = -12

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 = | 4 ⋅ 3+4 ⋅ 11-7 ⋅ ( - 25 )+12 | 4 2 + 4 2 + ( - 7 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(5|3|-4), der Punkt C(0|-1|-2) und die Gerade g: x → = ( 5 3 -4 ) +t⋅ ( -2 -1 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 = 18 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 ( -2 t -1 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 0-5 -1-3 -2-( - 4 ) ) = ( -5 -4 2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -2 t -1 t 2 t ) × ( -5 -4 2 ) = ( - t · 2 - 2 t · ( -4 ) 2 t · ( -5 ) - ( -2 t ) · 2 -2 t · ( -4 ) - ( - t ) · ( -5 ) ) = ( -2 t +8 t -10 t +4 t 8 t -5 t ) = ( 6 t -6 t 3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 6 t -6 t 3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -2 t | 3 -1 t | -4 +2 t ) ergibt
B1(-3|-1|4).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -2 t | 3 -1 t | -4 +2 t ) ergibt
B2(13|7|-12).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 ⋅ x +5⋅ 0 +2⋅ 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +5⋅ y +2⋅ 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 ⋅ 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 ⋅ 10⋅6 = 30, 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 ⋅30⋅15
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 5 ⋅ x +5⋅ 0 +5⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +5⋅ y +5⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 ⋅ 0 +5⋅ 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 5 ⋅ d 5 = d 2 50

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 50 d 2 = 2 |⋅50
d 2 = 100 | ⋅2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 10

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -10 ist eine Lösung.

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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 + x 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 5 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +1⋅ 0 +1⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +1⋅ y +1⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 5 ⋅ 0 +1⋅ 0 +1⋅ z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 5 ⋅ 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ d 5 ⋅ d 1 ⋅ d 1 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | ⋅3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 + x 3 = 15

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 + x 3 = -15 ist eine Lösung.

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