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(8|-2|-3), B(-28|6|21) und C(-3|9|-3) 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 = ( 8 -2 -3 ) + ( 25 3 -24 ) = ( 33 1 -27 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(33|1|-27).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -28-8 6-( - 2 ) 21-( - 3 ) ) = ( -36 8 24 ) und AD = BC = ( -3-( - 28 ) 9-6 -3-21 ) = ( 25 3 -24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 8 24 ) × ( 25 3 -24 ) = ( 8 · ( -24 ) - 24 · 3 24 · 25 - ( -36 ) · ( -24 ) -36 · 3 - 8 · 25 ) = ( -192 -72 600 -864 -108 -200 ) = ( -264 -264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 -308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + (-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(-2|-4|0), B(2|-20|-32) und C(6|0|-1).

Lösung einblenden

Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 2-( - 2 ) -20-( - 4 ) -32-0 ) = ( 4 -16 -32 ) und AC = ( 6-( - 2 ) 0-( - 4 ) -1-0 ) = ( 8 4 -1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 -32 ) × ( 8 4 -1 ) = ( -16 · ( -1 ) - ( -32 ) · 4 -32 · 8 - 4 · ( -1 ) 4 · 4 - ( -16 ) · 8 ) = ( 16 +128 -256 +4 16 +128 ) = ( 144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 144 ) | = 144 2 + (-252)2 + 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|-4|-2), B(28|8|1), C(30|0|17) und D(6|-12|14) und als Spitze S(17|-29|-6). 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 = ( 28-4 8-( - 4 ) 1-( - 2 ) ) = ( 24 12 3 ) und AD = BC = ( 30-28 0-8 17-1 ) = ( 2 -8 16 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 -378 -216 ) | = 216 2 + (-378)2 + (-216) 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 = ( 4 -4 -2 ) + r ( 24 12 3 ) + s ( 2 -8 16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( 24 12 3 ) und ( 2 -8 16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -4 -2 ) ] ( 4 -7 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-4|-2) erhält man
d = 44 + (-7)(-4) + (-4)(-2)
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 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 17-7 ( - 29 )-4 ( - 6 )-52 | 4 2 + ( - 7 ) 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|0|-1), B(-7|0|-7), C(-1|0|-15) und als Spitze S(4|3|-5).
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 = ( -7-1 0-0 -7-( - 1 ) ) = ( -8 0 -6 ) und AC = ( -1-1 0-0 -15-( - 1 ) ) = ( -2 0 -14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 0 -6 ) × ( -2 0 -14 ) = ( 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -2 ) - ( -8 ) · ( -14 ) -8 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 12 -112 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 0 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

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 0 -1 ) + r ( -8 0 -6 ) + s ( -2 0 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -8 0 -6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 t 8 ) für jedes t orthogonal zu ( -8 0 -6 ) , denn ( -8 0 -6 ) ( -6 t 8 ) =(-8)(-6) + 0t + (-6)8 = 48+0-48=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 0 -14 ) ( -6 t 8 ) = 0⋅t -100 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 1 0 8 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -8 0 -6 ) × ( -2 0 -14 ) = ( 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -2 ) - ( -8 ) · ( -14 ) -8 · 0 - 0 · ( -2 ) ) = ( 0+0 12 -112 0+0 ) = ( 0 -100 0 )

= -100⋅ ( 0 1 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|0|-1) erhält man
d = 01 + 10 + 0(-1)
also:

+ x 2 = 0

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+1 3+0 ( - 5 )-0 | 0 2 + 1 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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|-11|-12), der Punkt C(-2|2|-3) und die Gerade g: x = ( -2 -11 -12 ) +t ( 0 3 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 = 50 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 ( 0 t 3 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -2-( - 2 ) 2-( - 11 ) -3-( - 12 ) ) = ( 0 13 9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 3 t 4 t ) × ( 0 13 9 ) = ( 3 t · 9 - 4 t · 13 4 t · 0 - 0 · 9 0 · 13 - 3 t · 0 ) = ( 27 t -52 t 0+0 0+0 ) = ( -25 t 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -25 t 0 0 ) | = 625 t 2 +0+0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +0 t | -11 +3 t | -12 +4 t ) ergibt
B1(-2|1|4).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +0 t | -11 +3 t | -12 +4 t ) ergibt
B2(-2|-23|-28).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 90 .

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 +2 x 2 +5 x 3 = 90 ein.

S1: 3 x +2 0 +5 0 = 90 => x= 90 3 =30, also S1(30|0|0)
S2: 3 0 +2 y +5 0 = 90 => y= 90 2 =45, also S2(0|45|0)
S3: 3 0 +2 0 +5 z = 90 => z= 90 5 =18, also S3(0|0|18)

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 ⋅ 30⋅45 = 675, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅675⋅18
=4050

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 x 2 +4 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 160. 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:

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

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

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 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 160 |⋅40
d 2 = 6400 | 2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 80

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -80 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-40|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 80 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 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 216. 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 +3 x 2 +4 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 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 216 d 3 = 216 |⋅216
d 3 = 46656 | 3
d = 46656 3 = 36

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.