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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|4|-11), B(11|-8|13) und C(11|-1|-8) 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 = ( 3 4 -11 ) + ( 0 7 -21 ) = ( 3 11 -32 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(3|11|-32).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 11-3 -8-4 13-( - 11 ) ) = ( 8 -12 24 ) und AD = BC = ( 11-11 -1-( - 8 ) -8-13 ) = ( 0 7 -21 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 168 56 ) | = 84 2 + 1682 + 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(-11|0|6), B(-3|4|-2) und C(-7|5|-1).

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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-( - 11 ) 4-0 -2-6 ) = ( 8 4 -8 ) und AC = ( -7-( - 11 ) 5-0 -1-6 ) = ( 4 5 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 4 -8 ) × ( 4 5 -7 ) = ( 4 · ( -7 ) - ( -8 ) · 5 -8 · 4 - 8 · ( -7 ) 8 · 5 - 4 · 4 ) = ( -28 +40 -32 +56 40 -16 ) = ( 12 24 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 24 ) | = 12 2 + 242 + 24 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(5|1|4), B(2|25|-8), C(-14|27|0) und D(-11|3|12) und als Spitze S(9|14|29). 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 = ( 2-5 25-1 -8-4 ) = ( -3 24 -12 ) und AD = BC = ( -14-2 27-25 0-( - 8 ) ) = ( -16 2 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 24 -12 ) × ( -16 2 8 ) = ( 24 · 8 - ( -12 ) · 2 -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) ) = ( 192 +24 192 +24 -6 +384 ) = ( 216 216 378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 216 378 ) | = 216 2 + 2162 + 378 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( 5 1 4 ) + r ( -3 24 -12 ) + s ( -16 2 8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 24 -12 ) × ( -16 2 8 ) = ( 24 · 8 - ( -12 ) · 2 -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) ) = ( 192 +24 192 +24 -6 +384 ) = ( 216 216 378 ) = 54⋅ ( 4 4 7 )

Weil der Vektor ( 4 4 7 ) orthogonal zu ( -3 24 -12 ) und ( -16 2 8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 1 4 ) ] ( 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(5|1|4) erhält man
d = 45 + 41 + 74
also:

4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = 52

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 9+4 14+7 29-52 | 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-5|-3), B(9|7|-3), C(17|1|-3) und als Spitze S(4|-8|0).
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 = ( 9-0 7-( - 5 ) -3-( - 3 ) ) = ( 9 12 0 ) und AC = ( 17-0 1-( - 5 ) -3-( - 3 ) ) = ( 17 6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 12 0 ) × ( 17 6 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 6 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 ) = ( 0+0 0+0 54 -204 ) = ( 0 0 -150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -150 ) | = 0 2 + 02 + (-150) 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 -5 -3 ) + r ( 9 12 0 ) + s ( 17 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) + 129 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 17 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 ) × ( 17 6 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 6 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 ) = ( 0+0 0+0 54 -204 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 9 12 0 ) und ( 17 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -5 -3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-5|-3) erhält man
d = 00 + 0(-5) + 1(-3)
also:

+ 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 = | 0 4+0 ( - 8 )+1 0+3 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|-5|3), der Punkt C(-1|-1|3) und die Gerade g: x = ( -4 -5 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 = 25 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 ( -4 t 3 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 4 ) -1-( - 5 ) 3-3 ) = ( 3 4 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 ) × ( 3 4 0 ) = ( 3 t · 0 - 0 · 4 0 · 3 - ( -4 t ) · 0 -4 t · 4 - 3 t · 3 ) = ( 0+0 0+0 -16 t -9 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 25 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 25 |⋅2

| 25t | = 50

1. Fall

25t = 50 |: 25

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 -4 t | -5 +3 t | 3 +0 t ) ergibt
B1(-12|1|3).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 -4 t | -5 +3 t | 3 +0 t ) ergibt
B2(4|-11|3).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +5 0 +2 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +5 y +2 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 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 ⋅ 15⋅6 = 45, 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 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 + 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 6. 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 +3 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 +3 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +1 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 6 |⋅24
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 64. 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 +3 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 +4 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 , 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 4 d 3 = d 3 216

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 216 d 3 = 64 |⋅216
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.