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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|8|7), B(29|44|15) und C(-7|1|14) 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 = ( 5 8 7 ) + ( -36 -43 -1 ) = ( -31 -35 6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-31|-35|6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 29-5 44-8 15-7 ) = ( 24 36 8 ) und AD = BC = ( -7-29 1-44 14-15 ) = ( -36 -43 -1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 264 ) | = 308 2 + (-264)2 + 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(-3|-5|-10), B(-19|-9|-42) und C(5|-12|-3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -19-( - 3 ) -9-( - 5 ) -42-( - 10 ) ) = ( -16 -4 -32 ) und AC = ( 5-( - 3 ) -12-( - 5 ) -3-( - 10 ) ) = ( 8 -7 7 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 -144 144 ) | = (-252) 2 + (-144)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(2|1|2), B(-16|-5|-7), C(-10|-17|-11) und D(8|-11|-2) und als Spitze S(11|4|-18). 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 = ( -16-2 -5-1 -7-2 ) = ( -18 -6 -9 ) und AD = BC = ( -10-( - 16 ) -17-( - 5 ) -11-( - 7 ) ) = ( 6 -12 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 -6 -9 ) × ( 6 -12 -4 ) = ( -6 · ( -4 ) - ( -9 ) · ( -12 ) -9 · 6 - ( -18 ) · ( -4 ) -18 · ( -12 ) - ( -6 ) · 6 ) = ( 24 -108 -54 -72 216 +36 ) = ( -84 -126 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -126 252 ) | = (-84) 2 + (-126)2 + 252 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 2 ) + r ( -18 -6 -9 ) + s ( 6 -12 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -18 -6 -9 ) × ( 6 -12 -4 ) = ( -6 · ( -4 ) - ( -9 ) · ( -12 ) -9 · 6 - ( -18 ) · ( -4 ) -18 · ( -12 ) - ( -6 ) · 6 ) = ( 24 -108 -54 -72 216 +36 ) = ( -84 -126 252 ) = -42⋅ ( 2 3 -6 )

Weil der Vektor ( 2 3 -6 ) orthogonal zu ( -18 -6 -9 ) und ( 6 -12 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 1 2 ) ] ( 2 3 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|1|2) erhält man
d = 22 + 31 + (-6)2
also:

2 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = -5

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 11+3 4-6 ( - 18 )+5 | 2 2 + 3 2 + ( - 6 ) 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|-1|-1), B(4|-10|11), C(4|-18|5) und als Spitze S(7|-5|-4).
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 = ( 4-4 -10-( - 1 ) 11-( - 1 ) ) = ( 0 -9 12 ) und AC = ( 4-4 -18-( - 1 ) 5-( - 1 ) ) = ( 0 -17 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -9 12 ) × ( 0 -17 6 ) = ( -9 · 6 - 12 · ( -17 ) 12 · 0 - 0 · 6 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -54 +204 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 150 0 0 ) | = 150 2 + 02 + 0 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 -1 ) + r ( 0 -9 12 ) + s ( 0 -17 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -9 12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -12 -9 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -9 12 ) , denn ( 0 -9 12 ) ( t -12 -9 ) =0t + (-9)(-12) + 12(-9) = 0+108-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -17 6 ) ( t -12 -9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( - 1 0 -12 -9 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -9 12 ) × ( 0 -17 6 ) = ( -9 · 6 - 12 · ( -17 ) 12 · 0 - 0 · 6 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -54 +204 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -9 12 ) und ( 0 -17 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -1 -1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-1|-1) erhält man
d = 14 + 0(-1) + 0(-1)
also:

x 1 = 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 = | 1 7+0 ( - 5 )+0 ( - 4 )-4 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|-21|-15), der Punkt C(7|-1|-9) und die Gerade g: x = ( -6 -21 -15 ) +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 = 121 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 = ( 7-( - 6 ) -1-( - 21 ) -9-( - 15 ) ) = ( 13 20 6 ) .

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 ) × ( 13 20 6 ) = ( 9 t · 6 - 6 t · 20 6 t · 13 - 2 t · 6 2 t · 20 - 9 t · 13 ) = ( 54 t -120 t 78 t -12 t 40 t -117 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 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +2 t | -21 +9 t | -15 +6 t ) ergibt
B1(-2|-3|-3).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +2 t | -21 +9 t | -15 +6 t ) ergibt
B2(-10|-39|-27).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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 ⋅ 12⋅3 = 18, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 + x 2 +2 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 20. 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 + 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 + x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +1 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +1 y +2 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 5 0 +1 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 OS3.

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

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 20 |⋅20
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 +2 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 +2 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 + x 2 +2 x 3 = 20 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 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4.5. 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 +3 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 3 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +3 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 3 0 +3 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 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 3 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 3 = d 3 162

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 162 d 3 = 4,5 |⋅162
d 3 = 729 | 3
d = 729 3 = 9

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 9

Aber auch E2: 3 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -9 ist eine Lösung.

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