Fortgeschritten Mathematik & Logik 20 Punkte · ~40 Min.

Geometrischer Körper: Quader mit Schnittebene

Aufgabenstellung

Ein Quader ABCDEFGHABCDEFGH hat die Eckpunkte A(0∣0∣0)A(0|0|0), B(6∣0∣0)B(6|0|0), C(6∣4∣0)C(6|4|0), D(0∣4∣0)D(0|4|0), E(0∣0∣3)E(0|0|3), F(6∣0∣3)F(6|0|3), G(6∣4∣3)G(6|4|3), H(0∣4∣3)H(0|4|3).

  • (a) Bestimmen Sie eine Gleichung der Ebene SS, die durch die Punkte BB, DD und EE verläuft. (4 BE)
  • (b) Berechnen Sie den Flächeninhalt des Dreiecks BDEBDE. (4 BE)
  • (c) Die Ebene SS teilt den Quader in zwei Teilkörper. Bestimmen Sie das Volumen des Teilkörpers, der den Punkt AA enthält. (6 BE)
  • (d) Bestimmen Sie den Abstand des Punktes GG von der Ebene SS. (3 BE)
  • (e) Geben Sie eine Gleichung der Schnittgeraden der Ebene SS mit der Ebene x3=0x_3 = 0 (Grundfläche des Quaders) an. (3 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Ebenengleichung aufstellen (a)

Punkte: B(6∣0∣0)B(6|0|0), D(0∣4∣0)D(0|4|0), E(0∣0∣3)E(0|0|3)

Richtungsvektoren:

BD⃗=D−B=(−640),BE⃗=E−B=(−603)\vec{BD} = D - B = \begin{pmatrix} -6 \\ 4 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \vec{BE} = E - B = \begin{pmatrix} -6 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix}

Normalenvektor n⃗=BD⃗×BE⃗\vec{n} = \vec{BD} \times \vec{BE}:

n⃗=(4⋅3−0⋅00⋅(−6)−(−6)⋅3(−6)⋅0−4⋅(−6))=(121824)=6(234)\vec{n} = \begin{pmatrix} 4 \cdot 3 - 0 \cdot 0 \\ 0 \cdot (-6) - (-6) \cdot 3 \\ (-6) \cdot 0 - 4 \cdot (-6) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 12 \\ 18 \\ 24 \end{pmatrix} = 6 \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix}

Ebenengleichung mit Aufpunkt B(6∣0∣0)B(6|0|0):

2(x1−6)+3x2+4x3=02(x_1 - 6) + 3x_2 + 4x_3 = 0

S ⁣:2x1+3x2+4x3=12\boxed{S\colon 2x_1 + 3x_2 + 4x_3 = 12}

Kontrolle: BB: 12+0+0=1212 + 0 + 0 = 12 ✓, DD: 0+12+0=120 + 12 + 0 = 12 ✓, EE: 0+0+12=120 + 0 + 12 = 12 ✓

Schritt 2: Flächeninhalt des Dreiecks BDEBDE (b)

A△=12⋅∣BD⃗×BE⃗∣A_{\triangle} = \frac{1}{2} \cdot |\vec{BD} \times \vec{BE}|

∣BD⃗×BE⃗∣=∣(121824)∣=144+324+576=1044=629|\vec{BD} \times \vec{BE}| = \left|\begin{pmatrix} 12 \\ 18 \\ 24 \end{pmatrix}\right| = \sqrt{144 + 324 + 576} = \sqrt{1044} = 6\sqrt{29}

A△=329≈16,16  FE\boxed{A_{\triangle} = 3\sqrt{29} \approx 16{,}16 \; \text{FE}}

Schritt 3: Volumen des Teilkörpers mit AA (c)

Der Teilkörper, der AA enthält, ist eine dreiseitige Pyramide (Tetraeder) mit Spitze AA und Grundfläche BDEBDE.

Die Ecke A(0∣0∣0)A(0|0|0) liegt auf der Seite der Ebene mit 2⋅0+3⋅0+4⋅0=0<122 \cdot 0 + 3 \cdot 0 + 4 \cdot 0 = 0 < 12.

Volumen des Tetraeders ABDEABDE:

V=16⋅∣(AB⃗×AD⃗)⋅AE⃗∣V = \frac{1}{6} \cdot \left|(\vec{AB} \times \vec{AD}) \cdot \vec{AE}\right|

AB⃗=(600),AD⃗=(040),AE⃗=(003)\vec{AB} = \begin{pmatrix} 6 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \vec{AD} = \begin{pmatrix} 0 \\ 4 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \vec{AE} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix}

AB⃗×AD⃗=(0024)\vec{AB} \times \vec{AD} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 24 \end{pmatrix}

(AB⃗×AD⃗)⋅AE⃗=24⋅3=72(\vec{AB} \times \vec{AD}) \cdot \vec{AE} = 24 \cdot 3 = 72

VTetraeder=16⋅72=12V_{\text{Tetraeder}} = \frac{1}{6} \cdot 72 = 12

V=12  VE\boxed{V = 12 \; \text{VE}}

Kontrolle: Volumen des gesamten Quaders: 6⋅4⋅3=726 \cdot 4 \cdot 3 = 72 VE. Der Tetraeder ABDEABDE hat 16\frac{1}{6} des Quadervolumens. ✓

Schritt 4: Abstand von GG zur Ebene SS (d)

Mit der Hesseform der Ebene S ⁣:2x1+3x2+4x3=12S\colon 2x_1 + 3x_2 + 4x_3 = 12 und G(6∣4∣3)G(6|4|3):

d=∣2⋅6+3⋅4+4⋅3−12∣4+9+16=∣12+12+12−12∣29=2429d = \frac{|2 \cdot 6 + 3 \cdot 4 + 4 \cdot 3 - 12|}{\sqrt{4 + 9 + 16}} = \frac{|12 + 12 + 12 - 12|}{\sqrt{29}} = \frac{24}{\sqrt{29}}

d=2429=242929≈4,46\boxed{d = \frac{24}{\sqrt{29}} = \frac{24\sqrt{29}}{29} \approx 4{,}46}

Schritt 5: Schnittgerade mit Grundfläche (e)

Die Grundfläche hat die Gleichung x3=0x_3 = 0. Einsetzen in die Ebenengleichung:

2x1+3x2=122x_1 + 3x_2 = 12

Diese Gerade in der x1x_1-x2x_2-Ebene geht durch B(6∣0∣0)B(6|0|0) und D(0∣4∣0)D(0|4|0).

Parameterdarstellung mit Aufpunkt BB und Richtung BD⃗\vec{BD}:

g ⁣:x⃗=(600)+t⋅(−640),t∈R\boxed{g\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 6 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} -6 \\ 4 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad t \in \mathbb{R}}

Dies ist die Diagonale BDBD der Grundfläche.

Schritt 6: Zusammenfassung

FrageAntwort
Ebenengleichung SS2x1+3x2+4x3=122x_1 + 3x_2 + 4x_3 = 12
Flächeninhalt △BDE\triangle BDE329≈16,163\sqrt{29} \approx 16{,}16 FE
Volumen Teilkörper mit AA1212 VE
Abstand GG von SS2429≈4,46\frac{24}{\sqrt{29}} \approx 4{,}46
Schnittgerade mit x3=0x_3 = 0Diagonale BDBD: 2x1+3x2=122x_1 + 3x_2 = 12