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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-4|1|-10), B(-40|9|-34) und C(3|8|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 = ( -4 1 -10 ) + ( 43 -1 36 ) = ( 39 0 26 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(39|0|26).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -40-( - 4 ) 9-1 -34-( - 10 ) ) = ( -36 8 -24 ) und AD = BC = ( 3-( - 40 ) 8-9 2-( - 34 ) ) = ( 43 -1 36 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 8 -24 ) × ( 43 -1 36 ) = ( 8 · 36 - ( -24 ) · ( -1 ) -24 · 43 - ( -36 ) · 36 -36 · ( -1 ) - 8 · 43 ) = ( 288 -24 -1032 +1296 36 -344 ) = ( 264 264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 -308 ) | = 264 2 + 2642 + (-308) 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(6|-8|-2), B(22|-40|-6) und C(-2|-1|-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 = ( 22-6 -40-( - 8 ) -6-( - 2 ) ) = ( 16 -32 -4 ) und AC = ( -2-6 -1-( - 8 ) -9-( - 2 ) ) = ( -8 7 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -32 -4 ) × ( -8 7 -7 ) = ( -32 · ( -7 ) - ( -4 ) · 7 -4 · ( -8 ) - 16 · ( -7 ) 16 · 7 - ( -32 ) · ( -8 ) ) = ( 224 +28 32 +112 112 -256 ) = ( 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(-11|-4|-2), B(25|20|-10), C(38|14|-30) und D(2|-10|-22) und als Spitze S(-18|17|-31). 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 = ( 25-( - 11 ) 20-( - 4 ) -10-( - 2 ) ) = ( 36 24 -8 ) und AD = BC = ( 38-25 14-20 -30-( - 10 ) ) = ( 13 -6 -20 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 24 -8 ) × ( 13 -6 -20 ) = ( 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) -8 · 13 - 36 · ( -20 ) 36 · ( -6 ) - 24 · 13 ) = ( -480 -48 -104 +720 -216 -312 ) = ( -528 616 -528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -528 616 -528 ) | = (-528) 2 + 6162 + (-528) 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 968.

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 = ( -11 -4 -2 ) + r ( 36 24 -8 ) + s ( 13 -6 -20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 36 24 -8 ) × ( 13 -6 -20 ) = ( 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) -8 · 13 - 36 · ( -20 ) 36 · ( -6 ) - 24 · 13 ) = ( -480 -48 -104 +720 -216 -312 ) = ( -528 616 -528 ) = 88⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( 36 24 -8 ) und ( 13 -6 -20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -11 -4 -2 ) ] ( -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(-11|-4|-2) erhält man
d = (-6)(-11) + 7(-4) + (-6)(-2)
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = 50

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 ( - 18 )+7 17-6 ( - 31 )-50 | ( - 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-4|1|5), B(-8|-11|-13), C(-26|1|-17) und als Spitze S(5|28|-15).
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 = ( -8-( - 4 ) -11-1 -13-5 ) = ( -4 -12 -18 ) und AC = ( -26-( - 4 ) 1-1 -17-5 ) = ( -22 0 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -12 -18 ) × ( -22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 -18 · ( -22 ) - ( -4 ) · ( -22 ) -4 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) ) = ( 264 +0 396 -88 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 = ( -4 1 5 ) + r ( -4 -12 -18 ) + 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 ( -4 -12 -18 ) ( -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 = ( -4 -12 -18 ) × ( -22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 -18 · ( -22 ) - ( -4 ) · ( -22 ) -4 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) ) = ( 264 +0 396 -88 0 -264 ) = ( 264 308 -264 )

= 44⋅ ( 6 7 -6 )

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( -4 -12 -18 ) und ( -22 0 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 1 5 ) ] ( 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(-4|1|5) erhält man
d = 6(-4) + 71 + (-6)5
also:

6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = -47

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 5+7 28-6 ( - 15 )+47 | 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(-1|-5|4), der Punkt C(7|-6|8) und die Gerade g: x = ( -1 -5 4 ) +t ( 1 -8 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 162 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 ( t -8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 7-( - 1 ) -6-( - 5 ) 8-4 ) = ( 8 -1 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -8 t -4 t ) × ( 8 -1 4 ) = ( -8 t · 4 - ( -4 t ) · ( -1 ) -4 t · 8 - t · 4 t · ( -1 ) - ( -8 t ) · 8 ) = ( -32 t -4 t -32 t -4 t - t +64 t ) = ( -36 t -36 t 63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t -36 t 63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 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 162 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 162 |⋅2

| 81t | = 324

1. Fall

81t = 324 |: 81

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +1 t | -5 -8 t | 4 -4 t ) ergibt
B1(3|-37|-12).

2. Fall

- 81t = 324 |: -81

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +1 t | -5 -8 t | 4 -4 t ) ergibt
B2(-5|27|20).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 + 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 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = 12 ein.

S1: 4 x +2 0 +1 0 = 12 => x= 12 4 =3, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +2 y +1 0 = 12 => y= 12 2 =6, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +2 0 +1 z = 12 => z=12=12, also S3(0|0|12)

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⋅6 = 9, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅12
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +3 x 2 +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 480. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 3 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 480 |⋅30
d 2 = 14400 | 2
d1 = - 14400 = -120
d2 = 14400 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 120

Aber auch E2: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-24|0|0), S2(0|-40|0) und S3(0|0|-60). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 120 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + x 2 +5 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:

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

S1: 1 x +1 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 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 1 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 1 d 5 = 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: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

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

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