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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(19|-11|-1), B(-13|5|-5) und C(-6|-3|-12) 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 → = ( 19 -11 -1 ) + ( 7 -8 -7 ) = ( 26 -19 -8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(26|-19|-8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -13-19 5-( - 11 ) -5-( - 1 ) ) = ( -32 16 -4 ) und AD → = BC → = ( -6-( - 13 ) -3-5 -12-( - 5 ) ) = ( 7 -8 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -32 16 -4 ) × ( 7 -8 -7 ) = ( 16 · ( -7 ) - ( -4 ) · ( -8 ) -4 · 7 - ( -32 ) · ( -7 ) -32 · ( -8 ) - 16 · 7 ) = ( -112 -32 -28 -224 256 -112 ) = ( -144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -144 -252 144 ) | = (-144) 2 + (-252)2 + 144 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-1|5|2), B(7|-3|6) und C(-1|2|5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( 7-( - 1 ) -3-5 6-2 ) = ( 8 -8 4 ) und AC → = ( -1-( - 1 ) 2-5 5-2 ) = ( 0 -3 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 -8 4 ) × ( 0 -3 3 ) = ( -8 · 3 - 4 · ( -3 ) 4 · 0 - 8 · 3 8 · ( -3 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -24 +12 0 -24 -24 +0 ) = ( -12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + (-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(-4|0|2), B(-1|6|-4), C(4|4|-8) und D(1|-2|-2) und als Spitze S(5|3|5). 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 → = ( -1-( - 4 ) 6-0 -4-2 ) = ( 3 6 -6 ) und AD → = BC → = ( 4-( - 1 ) 4-6 -8-( - 4 ) ) = ( 5 -2 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 3 6 -6 ) × ( 5 -2 -4 ) = ( 6 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -2 ) -6 · 5 - 3 · ( -4 ) 3 · ( -2 ) - 6 · 5 ) = ( -24 -12 -30 +12 -6 -30 ) = ( -36 -18 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -36 -18 -36 ) | = (-36) 2 + (-18)2 + (-36) 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 54.

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 ⋅ ( 3 6 -6 ) + s ⋅ ( 5 -2 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 3 6 -6 ) × ( 5 -2 -4 ) = ( 6 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -2 ) -6 · 5 - 3 · ( -4 ) 3 · ( -2 ) - 6 · 5 ) = ( -24 -12 -30 +12 -6 -30 ) = ( -36 -18 -36 ) = -18⋅ ( 2 1 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|0|2) erhält man
d = 2⋅(-4) + 1⋅0 + 2⋅2
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -4

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 ⋅ 5+1 ⋅ 3+2 ⋅ 5+4 | 2 2 + 1 2 + 2 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|-2|2), B(-1|6|2), C(-9|0|2) und als Spitze S(1|-5|5).
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 → = ( -1-5 6-( - 2 ) 2-2 ) = ( -6 8 0 ) und AC → = ( -9-5 0-( - 2 ) 2-2 ) = ( -14 2 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 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 → = ( 5 -2 2 ) + r ⋅ ( -6 8 0 ) + s ⋅ ( -14 2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 8 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -8 -6 t ) für jedes t orthogonal zu ( -6 8 0 ) , denn ( -6 8 0 ) ∘ ( -8 -6 t ) =(-6)⋅(-8) + 8⋅(-6) + 0⋅t = 48-48+0=0.

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

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

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

= 100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -6 8 0 ) und ( -14 2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 5 -2 2 ) ] ∘ ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|-2|2) erhält man
d = 0⋅5 + 0⋅(-2) + 1⋅2
also:

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

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|-1|4), der Punkt C(1|7|-3) und die Gerade g: x → = ( -6 -1 4 ) +t⋅ ( -8 -4 -1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 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 ( -8 t -4 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 1-( - 6 ) 7-( - 1 ) -3-4 ) = ( 7 8 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 t -4 t -1 t ) × ( 7 8 -7 ) = ( -4 t · ( -7 ) - ( - t ) · 8 - t · 7 - ( -8 t ) · ( -7 ) -8 t · 8 - ( -4 t ) · 7 ) = ( 28 t +8 t -7 t -56 t -64 t +28 t ) = ( 36 t -63 t -36 t ) .

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

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 -8 t | -1 -4 t | 4 -1 t ) ergibt
B1(-22|-9|2).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 -8 t | -1 -4 t | 4 -1 t ) ergibt
B2(10|7|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 .

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 x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 ein.

S1: 1 ⋅ x +5⋅ 0 +1⋅ 0 = 15 => x=15=15, also S1(15|0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +5⋅ y +1⋅ 0 = 15 => y= 15 5 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 ⋅ 0 +5⋅ 0 +1⋅ z = 15 => z=15=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⋅3 = 22.5, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅22.5⋅15
=112.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 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 180. 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 +3 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 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 ⋅ x +3⋅ 0 +5⋅ 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +3⋅ y +5⋅ 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 ⋅ 0 +3⋅ 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 = 180 |⋅20
d 2 = 3600 | ⋅2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 60

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 150. 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 +2 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 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +2⋅ 0 +3⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +2⋅ y +3⋅ 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 ⋅ 0 +2⋅ 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 5 ⋅ 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ d 5 ⋅ d 2 ⋅ d 3 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | ⋅3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 30

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.