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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|4|-11), B(-2|-8|5) und C(-2|-9|-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 → = ( -2 4 -11 ) + ( 0 -1 -7 ) = ( -2 3 -18 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-2|3|-18).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -2-( - 2 ) -8-4 5-( - 11 ) ) = ( 0 -12 16 ) und AD → = BC → = ( -2-( - 2 ) -9-( - 8 ) -2-5 ) = ( 0 -1 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -12 16 ) × ( 0 -1 -7 ) = ( -12 · ( -7 ) - 16 · ( -1 ) 16 · 0 - 0 · ( -7 ) 0 · ( -1 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 84 +16 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 100 0 0 ) | = 100 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-9|-13|21), B(-1|-1|-3) und C(3|-2|6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( -1-( - 9 ) -1-( - 13 ) -3-21 ) = ( 8 12 -24 ) und AC → = ( 3-( - 9 ) -2-( - 13 ) 6-21 ) = ( 12 11 -15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 12 -24 ) × ( 12 11 -15 ) = ( 12 · ( -15 ) - ( -24 ) · 11 -24 · 12 - 8 · ( -15 ) 8 · 11 - 12 · 12 ) = ( -180 +264 -288 +120 88 -144 ) = ( 84 -168 -56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 84 -168 -56 ) | = 84 2 + (-168)2 + (-56) 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(2|-1|-5), B(-25|5|-23), C(-29|23|-11) und D(-2|17|7) und als Spitze S(-18|-10|22). 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 → = ( -25-2 5-( - 1 ) -23-( - 5 ) ) = ( -27 6 -18 ) und AD → = BC → = ( -29-( - 25 ) 23-5 -11-( - 23 ) ) = ( -4 18 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -27 6 -18 ) × ( -4 18 12 ) = ( 6 · 12 - ( -18 ) · 18 -18 · ( -4 ) - ( -27 ) · 12 -27 · 18 - 6 · ( -4 ) ) = ( 72 +324 72 +324 -486 +24 ) = ( 396 396 -462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 396 396 -462 ) | = 396 2 + 3962 + (-462) 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 726.

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 → = ( 2 -1 -5 ) + r ⋅ ( -27 6 -18 ) + s ⋅ ( -4 18 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -27 6 -18 ) × ( -4 18 12 ) = ( 6 · 12 - ( -18 ) · 18 -18 · ( -4 ) - ( -27 ) · 12 -27 · 18 - 6 · ( -4 ) ) = ( 72 +324 72 +324 -486 +24 ) = ( 396 396 -462 ) = -66⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( -27 6 -18 ) und ( -4 18 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 2 -1 -5 ) ] ∘ ( -6 -6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-1|-5) erhält man
d = (-6)⋅2 + (-6)⋅(-1) + 7⋅(-5)
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = -41

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 )-6 ⋅ ( - 10 )+7 ⋅ 22+41 | ( - 6 ) 2 + ( - 6 ) 2 + 7 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-1|-2), B(0|-7|-10), C(0|-15|-4) und als Spitze S(3|-5|1).
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 → = ( 0-0 -7-( - 1 ) -10-( - 2 ) ) = ( 0 -6 -8 ) und AC → = ( 0-0 -15-( - 1 ) -4-( - 2 ) ) = ( 0 -14 -2 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -100 0 0 ) | = (-100) 2 + 02 + 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 → = ( 0 -1 -2 ) + r ⋅ ( 0 -6 -8 ) + s ⋅ ( 0 -14 -2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -6 -8 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 8 -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -6 -8 ) , denn ( 0 -6 -8 ) ∘ ( t 8 -6 ) =0⋅t + (-6)⋅8 + (-8)⋅(-6) = 0-48+48=0.

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

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

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

= -100⋅ ( 1 0 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-1|-2) erhält man
d = 1⋅0 + 0⋅(-1) + 0⋅(-2)
also:

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

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(6|7|-7), der Punkt C(13|0|5) und die Gerade g: x → = ( 6 7 -7 ) +t⋅ ( 2 9 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 242 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 ( 2 t 9 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 13-6 0-7 5-( - 7 ) ) = ( 7 -7 12 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 2 t 9 t -6 t ) × ( 7 -7 12 ) = ( 9 t · 12 - ( -6 t ) · ( -7 ) -6 t · 7 - 2 t · 12 2 t · ( -7 ) - 9 t · 7 ) = ( 108 t -42 t -42 t -24 t -14 t -63 t ) = ( 66 t -66 t -77 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 66 t -66 t -77 t ) | = 4356 t 2 +4356 t 2 +5929 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 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 6 +2 t | 7 +9 t | -7 -6 t ) ergibt
B1(14|43|-31).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 6 +2 t | 7 +9 t | -7 -6 t ) ergibt
B2(-2|-29|17).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 ⋅ x +4⋅ 0 +4⋅ 0 = 12 => x= 3 4 =0.75, also S1(3|0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +4⋅ y +4⋅ 0 = 12 => y= 3 4 =0.75, also S2(0|3|0)
S3: 4 ⋅ 0 +4⋅ 0 +4⋅ z = 12 => z= 3 4 =0.75, also S3(0|0|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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +4 x 2 +5 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 320. 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:

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

S1: 2 ⋅ x +4⋅ 0 +5⋅ 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +4⋅ y +5⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 ⋅ 0 +4⋅ 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 ⋅ d 2 ⋅ d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 320 |⋅20
d 2 = 6400 | ⋅2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 1.5. 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:

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

S1: 3 ⋅ x +1⋅ 0 +1⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +1⋅ y +1⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 ⋅ 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 3 ⋅ 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 3 ⋅ d 1 ⋅ d 1 = d 3 18

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 3 = 1,5 |⋅18
d 3 = 27 | ⋅3
d = 27 3 = 3

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

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

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