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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|4|-2), B(35|-4|22) und C(1|-5|-8) 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 = ( -1 4 -2 ) + ( -34 -1 -30 ) = ( -35 3 -32 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-35|3|-32).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 35-( - 1 ) -4-4 22-( - 2 ) ) = ( 36 -8 24 ) und AD = BC = ( 1-35 -5-( - 4 ) -8-22 ) = ( -34 -1 -30 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -8 24 ) × ( -34 -1 -30 ) = ( -8 · ( -30 ) - 24 · ( -1 ) 24 · ( -34 ) - 36 · ( -30 ) 36 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -34 ) ) = ( 240 +24 -816 +1080 -36 -272 ) = ( 264 264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 -308 ) | = 264 2 + 2642 + (-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(-1|3|5), B(7|-21|17) und C(5|6|7).

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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 ) -21-3 17-5 ) = ( 8 -24 12 ) und AC = ( 5-( - 1 ) 6-3 7-5 ) = ( 6 3 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -24 12 ) × ( 6 3 2 ) = ( -24 · 2 - 12 · 3 12 · 6 - 8 · 2 8 · 3 - ( -24 ) · 6 ) = ( -48 -36 72 -16 24 +144 ) = ( -84 56 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 56 168 ) | = (-84) 2 + 562 + 168 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|-4), B(8|17|-13), C(20|11|-17) und D(14|-7|-8) und als Spitze S(17|2|12). 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 = ( 8-2 17-( - 1 ) -13-( - 4 ) ) = ( 6 18 -9 ) und AD = BC = ( 20-8 11-17 -17-( - 13 ) ) = ( 12 -6 -4 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -126 -84 -252 ) | = (-126) 2 + (-84)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 -4 ) + r ( 6 18 -9 ) + s ( 12 -6 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-1|-4) erhält man
d = 32 + 2(-1) + 6(-4)
also:

3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = -20

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 = | 3 17+2 2+6 12+20 | 3 2 + 2 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(-5|3|4), B(-17|-1|-14), C(-5|-19|-18) und als Spitze S(22|12|-16).
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 = ( -17-( - 5 ) -1-3 -14-4 ) = ( -12 -4 -18 ) und AC = ( -5-( - 5 ) -19-3 -18-4 ) = ( 0 -22 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -4 -18 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -4 · ( -22 ) - ( -18 ) · ( -22 ) -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 ) = ( 88 -396 0 -264 264 +0 ) = ( -308 -264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 -264 264 ) | = (-308) 2 + (-264)2 + 264 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

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 3 4 ) + r ( -12 -4 -18 ) + s ( 0 -22 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -22 -22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 22 -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -22 -22 ) , denn ( 0 -22 -22 ) ( t 22 -22 ) =0t + (-22)22 + (-22)(-22) = 0-484+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -12 -4 -18 ) ( t 22 -22 ) = -12⋅t +308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 77 3 22 -22 ) = 1 3 ( 77 66 -66 ) = 11 3 ( 7 6 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 -4 -18 ) × ( 0 -22 -22 ) = ( -4 · ( -22 ) - ( -18 ) · ( -22 ) -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · ( -22 ) - ( -4 ) · 0 ) = ( 88 -396 0 -264 264 +0 ) = ( -308 -264 264 )

= -44⋅ ( 7 6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 6 -6 ) orthogonal zu ( -12 -4 -18 ) und ( 0 -22 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 3 4 ) ] ( 7 6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|3|4) erhält man
d = 7(-5) + 63 + (-6)4
also:

7 x 1 +6 x 2 -6 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 = | 7 22+6 12-6 ( - 16 )+41 | 7 2 + 6 2 + ( - 6 ) 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-11|15|-3), der Punkt C(0|0|9) und die Gerade g: x = ( -11 15 -3 ) +t ( 3 -6 2 ) . 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.

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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 ( 3 t -6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-( - 11 ) 0-15 9-( - 3 ) ) = ( 11 -15 12 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t -6 t 2 t ) × ( 11 -15 12 ) = ( -6 t · 12 - 2 t · ( -15 ) 2 t · 11 - 3 t · 12 3 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · 11 ) = ( -72 t +30 t 22 t -36 t -45 t +66 t ) = ( -42 t -14 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -42 t -14 t 21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 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 ( -11 +3 t | 15 -6 t | -3 +2 t ) ergibt
B1(1|-9|5).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 +3 t | 15 -6 t | -3 +2 t ) ergibt
B2(-23|39|-11).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 2 0 +2 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =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 ⋅ 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅6
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +3 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 18. 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 +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 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +3 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: 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: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 18

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 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 + x 2 +3 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:

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

S1: 1 x +1 0 +3 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +3 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 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 1 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

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

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