nach Aufgabentypen suchen

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Browserfenster aktualisieren (F5), um neue Beispiele bei den Aufgabentypen zu sehen

Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|5|-7), B(41|29|-15) und C(-2|-7|-14) soll durch den Punkt D zu einem Parallelogramm ABCD erweitert werden. Bestimme den Punkt D und berechne den Flächeninhalt des Parallelogramms..

Lösung einblenden

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 = ( 5 5 -7 ) + ( -43 -36 1 ) = ( -38 -31 -6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-38|-31|-6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 41-5 29-5 -15-( - 7 ) ) = ( 36 24 -8 ) und AD = BC = ( -2-41 -7-29 -14-( - 15 ) ) = ( -43 -36 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 24 -8 ) × ( -43 -36 1 ) = ( 24 · 1 - ( -8 ) · ( -36 ) -8 · ( -43 ) - 36 · 1 36 · ( -36 ) - 24 · ( -43 ) ) = ( 24 -288 344 -36 -1296 +1032 ) = ( -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(-23|-12|-2), B(9|4|-6) und C(2|-4|-13).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 9-( - 23 ) 4-( - 12 ) -6-( - 2 ) ) = ( 32 16 -4 ) und AC = ( 2-( - 23 ) -4-( - 12 ) -13-( - 2 ) ) = ( 25 8 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 16 -4 ) × ( 25 8 -11 ) = ( 16 · ( -11 ) - ( -4 ) · 8 -4 · 25 - 32 · ( -11 ) 32 · 8 - 16 · 25 ) = ( -176 +32 -100 +352 256 -400 ) = ( -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(4|0|-2), B(16|6|2), C(10|10|14) und D(-2|4|10) und als Spitze S(7|-16|13). Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 16-4 6-0 2-( - 2 ) ) = ( 12 6 4 ) und AD = BC = ( 10-16 10-6 14-2 ) = ( -6 4 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 6 4 ) × ( -6 4 12 ) = ( 6 · 12 - 4 · 4 4 · ( -6 ) - 12 · 12 12 · 4 - 6 · ( -6 ) ) = ( 72 -16 -24 -144 48 +36 ) = ( 56 -168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 56 -168 84 ) | = 56 2 + (-168)2 + 84 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.

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 = ( 4 0 -2 ) + r ( 12 6 4 ) + s ( -6 4 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 12 6 4 ) × ( -6 4 12 ) = ( 6 · 12 - 4 · 4 4 · ( -6 ) - 12 · 12 12 · 4 - 6 · ( -6 ) ) = ( 72 -16 -24 -144 48 +36 ) = ( 56 -168 84 ) = 28⋅ ( 2 -6 3 )

Weil der Vektor ( 2 -6 3 ) orthogonal zu ( 12 6 4 ) und ( -6 4 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 0 -2 ) ] ( 2 -6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|0|-2) erhält man
d = 24 + (-6)0 + 3(-2)
also:

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

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 = | 2 7-6 ( - 16 )+3 13-2 | 2 2 + ( - 6 ) 2 + 3 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 · 196 · 21 = 1372

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-4|-1), B(1|12|-13), C(1|10|-24) und als Spitze S(4|-3|-8).
Berechne das Volumen der Pyramide.

Lösung einblenden

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 = ( 1-1 12-( - 4 ) -13-( - 1 ) ) = ( 0 16 -12 ) und AC = ( 1-1 10-( - 4 ) -24-( - 1 ) ) = ( 0 14 -23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 16 -12 ) × ( 0 14 -23 ) = ( 16 · ( -23 ) - ( -12 ) · 14 -12 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · 14 - 16 · 0 ) = ( -368 +168 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -200 0 0 ) | = (-200) 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 -4 -1 ) + r ( 0 16 -12 ) + s ( 0 14 -23 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 16 -12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 12 16 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 16 -12 ) , denn ( 0 16 -12 ) ( t 12 16 ) =0t + 1612 + (-12)16 = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 14 -23 ) ( t 12 16 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 12 16 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 16 -12 ) × ( 0 14 -23 ) = ( 16 · ( -23 ) - ( -12 ) · 14 -12 · 0 - 0 · ( -23 ) 0 · 14 - 16 · 0 ) = ( -368 +168 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 )

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 16 -12 ) und ( 0 14 -23 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -4 -1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|-4|-1) erhält man
d = 11 + 0(-4) + 0(-1)
also:

x 1 = 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 = | 1 4+0 ( - 3 )+0 ( - 8 )-1 | 1 2 + 0 2 + 0 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(7|1|2), der Punkt C(-2|-3|1) und die Gerade g: x = ( 7 1 2 ) +t ( 6 -2 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 hat.

Lösung einblenden

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 ( 6 t -2 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -2-7 -3-1 1-2 ) = ( -9 -4 -1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t -2 t 3 t ) × ( -9 -4 -1 ) = ( -2 t · ( -1 ) - 3 t · ( -4 ) 3 t · ( -9 ) - 6 t · ( -1 ) 6 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · ( -9 ) ) = ( 2 t +12 t -27 t +6 t -24 t -18 t ) = ( 14 t -21 t -42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 14 t -21 t -42 t ) | = 196 t 2 +441 t 2 +1764 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 7 +6 t | 1 -2 t | 2 +3 t ) ergibt
B1(31|-7|14).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 7 +6 t | 1 -2 t | 2 +3 t ) ergibt
B2(-17|9|-10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45 .

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

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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 +3 x 2 +5 x 3 = 45 ein.

S1: 3 x +3 0 +5 0 = 45 => x= 45 3 =15, also S1(15|0|0)
S2: 3 0 +3 y +5 0 = 45 => y= 45 3 =15, also S2(0|15|0)
S3: 3 0 +3 0 +5 z = 45 => z= 45 5 =9, also S3(0|0|9)

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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅9
=337.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 18. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 3 x +1 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 0 +1 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 3 )

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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 3 d 3 = d 2 18

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 2 = 18 |⋅18
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 18

Aber auch E2: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-18|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 18 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 +2 x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 18. Bestimme eine Koordinatengleichung von E.

Lösung einblenden
Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das SchaubBild nicht sehen :(

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

S1: 1 x +2 0 +1 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 1 0 +2 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 1 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 2 d 1 = d 3 12

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 3 = 18 |⋅12
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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