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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(11|17|-27), B(3|-7|9) und C(-4|5|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 = ( 11 17 -27 ) + ( -7 12 -7 ) = ( 4 29 -34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(4|29|-34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 3-11 -7-17 9-( - 27 ) ) = ( -8 -24 36 ) und AD = BC = ( -4-3 5-( - 7 ) 2-9 ) = ( -7 12 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 36 ) × ( -7 12 -7 ) = ( -24 · ( -7 ) - 36 · 12 36 · ( -7 ) - ( -8 ) · ( -7 ) -8 · 12 - ( -24 ) · ( -7 ) ) = ( 168 -432 -252 -56 -96 -168 ) = ( -264 -308 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -308 -264 ) | = (-264) 2 + (-308)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|4|3), B(29|0|-13) und C(6|-5|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 = ( 29-( - 3 ) 0-4 -13-3 ) = ( 32 -4 -16 ) und AC = ( 6-( - 3 ) -5-4 3-3 ) = ( 9 -9 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 -4 -16 ) × ( 9 -9 0 ) = ( -4 · 0 - ( -16 ) · ( -9 ) -16 · 9 - 32 · 0 32 · ( -9 ) - ( -4 ) · 9 ) = ( 0 -144 -144 +0 -288 +36 ) = ( -144 -144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 -144 -252 ) | = (-144) 2 + (-144)2 + (-252) 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(3|2|8), B(-9|-6|-16), C(-16|-20|-16) und D(-4|-12|8) und als Spitze S(-20|3|11). 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 = ( -9-3 -6-2 -16-8 ) = ( -12 -8 -24 ) und AD = BC = ( -16-( - 9 ) -20-( - 6 ) -16-( - 16 ) ) = ( -7 -14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -8 -24 ) × ( -7 -14 0 ) = ( -8 · 0 - ( -24 ) · ( -14 ) -24 · ( -7 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -8 ) · ( -7 ) ) = ( 0 -336 168 +0 168 -56 ) = ( -336 168 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -336 168 112 ) | = (-336) 2 + 1682 + 112 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 = ( 3 2 8 ) + r ( -12 -8 -24 ) + s ( -7 -14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -7 -14 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 14 -7 t ) für jedes t orthogonal zu ( -7 -14 0 ) , denn ( -7 -14 0 ) ( 14 -7 t ) =(-7)14 + (-14)(-7) + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -12 -8 -24 ) ( 14 -7 t ) = -24⋅t -112 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 -8 -24 ) × ( -7 -14 0 ) = ( -8 · 0 - ( -24 ) · ( -14 ) -24 · ( -7 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -14 ) - ( -8 ) · ( -7 ) ) = ( 0 -336 168 +0 168 -56 ) = ( -336 168 112 )

= 56⋅ ( -6 3 2 )

Weil der Vektor ( -6 3 2 ) orthogonal zu ( -12 -8 -24 ) und ( -7 -14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 2 8 ) ] ( -6 3 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|2|8) erhält man
d = (-6)3 + 32 + 28
also:

-6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 4

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 ( - 20 )+3 3+2 11-4 | ( - 6 ) 2 + 3 2 + 2 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|11|13), B(-9|-13|-23), C(-29|-7|-36) und als Spitze S(6|32|-16).
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 = ( -9-( - 1 ) -13-11 -23-13 ) = ( -8 -24 -36 ) und AC = ( -29-( - 1 ) -7-11 -36-13 ) = ( -28 -18 -49 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 -36 ) × ( -28 -18 -49 ) = ( -24 · ( -49 ) - ( -36 ) · ( -18 ) -36 · ( -28 ) - ( -8 ) · ( -49 ) -8 · ( -18 ) - ( -24 ) · ( -28 ) ) = ( 1176 -648 1008 -392 144 -672 ) = ( 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 = ( -1 11 13 ) + r ( -8 -24 -36 ) + s ( -28 -18 -49 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( -8 -24 -36 ) und ( -28 -18 -49 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 11 13 ) ] ( 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(-1|11|13) erhält man
d = 6(-1) + 711 + (-6)13
also:

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

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 6+7 32-6 ( - 16 )+7 | 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(5|-5|1), der Punkt C(1|-6|2) und die Gerade g: x = ( 5 -5 1 ) +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 = 13,5 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 ( 2 t -1 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-5 -6-( - 5 ) 2-1 ) = ( -4 -1 1 ) .

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 ) × ( -4 -1 1 ) = ( - t · 1 - ( -2 t ) · ( -1 ) -2 t · ( -4 ) - 2 t · 1 2 t · ( -1 ) - ( - t ) · ( -4 ) ) = ( - t -2 t 8 t -2 t -2 t -4 t ) = ( -3 t 6 t -6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -3 t 6 t -6 t ) | = 9 t 2 +36 t 2 +36 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 +2 t | -5 -1 t | 1 -2 t ) ergibt
B1(11|-8|-5).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

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

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅15 = 112.5, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅6
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +4 x 2 +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 81. 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 +4 x 2 +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 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 81 |⋅16
d 2 = 1296 | 2
d1 = - 1296 = -36
d2 = 1296 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36

Aber auch E2: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36 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 +2 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4.5. 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:

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

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

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 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 2 d 2 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 4,5 |⋅48
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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