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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(15|15|-7), B(-21|-9|1) und C(-5|9|6) 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 = ( 15 15 -7 ) + ( 16 18 5 ) = ( 31 33 -2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(31|33|-2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -21-15 -9-15 1-( - 7 ) ) = ( -36 -24 8 ) und AD = BC = ( -5-( - 21 ) 9-( - 9 ) 6-1 ) = ( 16 18 5 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 308 -264 ) | = (-264) 2 + 3082 + (-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|-12|-3), B(13|20|-7) und C(1|5|-13).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 13-( - 3 ) 20-( - 12 ) -7-( - 3 ) ) = ( 16 32 -4 ) und AC = ( 1-( - 3 ) 5-( - 12 ) -13-( - 3 ) ) = ( 4 17 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 32 -4 ) × ( 4 17 -10 ) = ( 32 · ( -10 ) - ( -4 ) · 17 -4 · 4 - 16 · ( -10 ) 16 · 17 - 32 · 4 ) = ( -320 +68 -16 +160 272 -128 ) = ( -252 144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 144 144 ) | = (-252) 2 + 1442 + 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(-3|-12|0), B(13|20|-4), C(9|30|-21) und D(-7|-2|-17) und als Spitze S(-24|9|3). 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 = ( 13-( - 3 ) 20-( - 12 ) -4-0 ) = ( 16 32 -4 ) und AD = BC = ( 9-13 30-20 -21-( - 4 ) ) = ( -4 10 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 32 -4 ) × ( -4 10 -17 ) = ( 32 · ( -17 ) - ( -4 ) · 10 -4 · ( -4 ) - 16 · ( -17 ) 16 · 10 - 32 · ( -4 ) ) = ( -544 +40 16 +272 160 +128 ) = ( -504 288 288 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -504 288 288 ) | = (-504) 2 + 2882 + 288 2 = 419904 = 648 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 648.

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 -12 0 ) + r ( 16 32 -4 ) + s ( -4 10 -17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 16 32 -4 ) × ( -4 10 -17 ) = ( 32 · ( -17 ) - ( -4 ) · 10 -4 · ( -4 ) - 16 · ( -17 ) 16 · 10 - 32 · ( -4 ) ) = ( -544 +40 16 +272 160 +128 ) = ( -504 288 288 ) = 72⋅ ( -7 4 4 )

Weil der Vektor ( -7 4 4 ) orthogonal zu ( 16 32 -4 ) und ( -4 10 -17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -12 0 ) ] ( -7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-12|0) erhält man
d = (-7)(-3) + 4(-12) + 40
also:

-7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -27

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 ( - 24 )+4 9+4 3+27 | ( - 7 ) 2 + 4 2 + 4 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 · 648 · 27 = 5832

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-3|4), B(17|-15|0), C(21|-3|-18) und als Spitze S(19|24|13).
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 = ( 17-( - 1 ) -15-( - 3 ) 0-4 ) = ( 18 -12 -4 ) und AC = ( 21-( - 1 ) -3-( - 3 ) -18-4 ) = ( 22 0 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 -12 -4 ) × ( 22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 22 - 18 · ( -22 ) 18 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( 264 +0 -88 +396 0 +264 ) = ( 264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 264 ) | = 264 2 + 3082 + 264 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.

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 -3 4 ) + r ( 18 -12 -4 ) + s ( 22 0 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 22 0 -22 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -22 t -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 22 0 -22 ) , denn ( 22 0 -22 ) ( -22 t -22 ) =22(-22) + 0t + (-22)(-22) = -484+0+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 18 -12 -4 ) ( -22 t -22 ) = -12⋅t -308 = 0 wird, also t= - 77 3 = - 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -22 - 77 3 -22 ) = 1 3 ( -66 -77 -66 ) = -11 3 ( 6 7 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 18 -12 -4 ) × ( 22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 22 - 18 · ( -22 ) 18 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( 264 +0 -88 +396 0 +264 ) = ( 264 308 264 )

= 44⋅ ( 6 7 6 )

Weil der Vektor ( 6 7 6 ) orthogonal zu ( 18 -12 -4 ) und ( 22 0 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -3 4 ) ] ( 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|-3|4) erhält man
d = 6(-1) + 7(-3) + 64
also:

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

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+7 24+6 13+3 | 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(19|9|7), der Punkt C(-1|3|-6) und die Gerade g: x = ( 19 9 7 ) +t ( -9 -6 -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 = 121 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 ( -9 t -6 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-19 3-9 -6-7 ) = ( -20 -6 -13 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 t -6 t -2 t ) × ( -20 -6 -13 ) = ( -6 t · ( -13 ) - ( -2 t ) · ( -6 ) -2 t · ( -20 ) - ( -9 t ) · ( -13 ) -9 t · ( -6 ) - ( -6 t ) · ( -20 ) ) = ( 78 t -12 t 40 t -117 t 54 t -120 t ) = ( 66 t -77 t -66 t ) .

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

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 19 -9 t | 9 -6 t | 7 -2 t ) ergibt
B1(1|-3|3).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 19 -9 t | 9 -6 t | 7 -2 t ) ergibt
B2(37|21|11).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 12 .

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 +3 x 2 +3 x 3 = 12 ein.

S1: 2 x +3 0 +3 0 = 12 => x= 12 2 =6, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +3 y +3 0 = 12 => y= 12 3 =4, also S2(0|4|0)
S3: 2 0 +3 0 +3 z = 12 => z= 12 3 =4, also S3(0|0|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 ⋅ 6⋅4 = 12, 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= 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅12⋅4
=16

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +2 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 225. 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:

4 x 1 +2 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 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 225 |⋅16
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60 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.