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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-11|-6|23), B(13|2|-13) und C(-5|7|3) 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 = ( -11 -6 23 ) + ( -18 5 16 ) = ( -29 -1 39 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-29|-1|39).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 13-( - 11 ) 2-( - 6 ) -13-23 ) = ( 24 8 -36 ) und AD = BC = ( -5-13 7-2 3-( - 13 ) ) = ( -18 5 16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 8 -36 ) × ( -18 5 16 ) = ( 8 · 16 - ( -36 ) · 5 -36 · ( -18 ) - 24 · 16 24 · 5 - 8 · ( -18 ) ) = ( 128 +180 648 -384 120 +144 ) = ( 308 264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 264 264 ) | = 308 2 + 2642 + 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(-21|-5|3), B(11|11|7) und C(-4|-1|13).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 11-( - 21 ) 11-( - 5 ) 7-3 ) = ( 32 16 4 ) und AC = ( -4-( - 21 ) -1-( - 5 ) 13-3 ) = ( 17 4 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 16 4 ) × ( 17 4 10 ) = ( 16 · 10 - 4 · 4 4 · 17 - 32 · 10 32 · 4 - 16 · 17 ) = ( 160 -16 68 -320 128 -272 ) = ( 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(3|-3|-2), B(5|-7|2), C(9|-9|-2) und D(7|-5|-6) und als Spitze S(11|2|-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 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 = ( 5-3 -7-( - 3 ) 2-( - 2 ) ) = ( 2 -4 4 ) und AD = BC = ( 9-5 -9-( - 7 ) -2-2 ) = ( 4 -2 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 -4 4 ) × ( 4 -2 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - 4 · ( -2 ) 4 · 4 - 2 · ( -4 ) 2 · ( -2 ) - ( -4 ) · 4 ) = ( 16 +8 16 +8 -4 +16 ) = ( 24 24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 12 ) | = 24 2 + 242 + 12 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

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 = ( 3 -3 -2 ) + r ( 2 -4 4 ) + s ( 4 -2 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 2 -4 4 ) × ( 4 -2 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - 4 · ( -2 ) 4 · 4 - 2 · ( -4 ) 2 · ( -2 ) - ( -4 ) · 4 ) = ( 16 +8 16 +8 -4 +16 ) = ( 24 24 12 ) = 12⋅ ( 2 2 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|-3|-2) erhält man
d = 23 + 2(-3) + 1(-2)
also:

2 x 1 +2 x 2 + 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 = | 2 11+2 2+1 ( - 1 )+2 | 2 2 + 2 2 + 1 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 · 36 · 9 = 108

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-6|-4|0), B(3|-4|-12), C(14|-4|-10) und als Spitze S(1|-1|-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 = ( 3-( - 6 ) -4-( - 4 ) -12-0 ) = ( 9 0 -12 ) und AC = ( 14-( - 6 ) -4-( - 4 ) -10-0 ) = ( 20 0 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 0 -12 ) × ( 20 0 -10 ) = ( 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 20 - 9 · ( -10 ) 9 · 0 - 0 · 20 ) = ( 0+0 -240 +90 0+0 ) = ( 0 -150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -150 0 ) | = 0 2 + (-150)2 + 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 = ( -6 -4 0 ) + r ( 9 0 -12 ) + s ( 20 0 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 9 0 -12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 t -9 ) für jedes t orthogonal zu ( 9 0 -12 ) , denn ( 9 0 -12 ) ( -12 t -9 ) =9(-12) + 0t + (-12)(-9) = -108+0+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 20 0 -10 ) ( -12 t -9 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 0 -12 ) × ( 20 0 -10 ) = ( 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 20 - 9 · ( -10 ) 9 · 0 - 0 · 20 ) = ( 0+0 -240 +90 0+0 ) = ( 0 -150 0 )

= -150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 9 0 -12 ) und ( 20 0 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -6 -4 0 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-6|-4|0) erhält man
d = 0(-6) + 1(-4) + 00
also:

+ x 2 = -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 = | 0 1+1 ( - 1 )+0 ( - 1 )+4 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|9|5), der Punkt C(-4|2|6) und die Gerade g: x = ( -4 9 5 ) +t ( 0 4 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 37,5 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 ( 0 t 4 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -4-( - 4 ) 2-9 6-5 ) = ( 0 -7 1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 4 t 3 t ) × ( 0 -7 1 ) = ( 4 t · 1 - 3 t · ( -7 ) 3 t · 0 - 0 · 1 0 · ( -7 ) - 4 t · 0 ) = ( 4 t +21 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 37,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 37,5 |⋅2

| 25t | = 75

1. Fall

25t = 75 |: 25

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | 9 +4 t | 5 +3 t ) ergibt
B1(-4|21|14).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | 9 +4 t | 5 +3 t ) ergibt
B2(-4|-3|-4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 60 .

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 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 60 ein.

S1: 5 x +4 0 +2 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +4 y +2 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +4 0 +2 z = 60 => z= 60 2 =30, also S3(0|0|30)

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⋅15 = 90, 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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅30
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 160. 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:

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

S1: 4 x +5 0 +2 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 4 0 +5 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 OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 4 d 5 = 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: 4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 80

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 337.5. 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 +5 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 +5 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +3 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 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 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 5 d 3 = d 3 270

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 270 d 3 = 337,5 |⋅270
d 3 = 91125 | 3
d = 91125 3 = 45

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 45

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -45 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 45 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.