Fortgeschritten Kurzaufgabe 5 Punkte ~15 Min. Mathematik & Logik

Würfel: Schnittfläche und Teilkörper

Aufgabenstellung

Ein Würfel ABCDEFGHABCDEFGH hat die Kantenlänge 66. Die Eckpunkte sind A(000)A(0|0|0), B(600)B(6|0|0), C(660)C(6|6|0), D(060)D(0|6|0), E(006)E(0|0|6), F(606)F(6|0|6), G(666)G(6|6|6), H(066)H(0|6|6).

MM sei der Mittelpunkt der Kante FG\overline{FG}.

  • (a) Bestimmen Sie eine Gleichung der Ebene KK, die durch die Punkte AA, BB und MM verläuft.
  • (b) Berechnen Sie das Volumen des Teilkörpers, der den Punkt DD enthält und durch die Ebene KK vom Würfel abgetrennt wird.

Lösungsweg

Schritt 1: Ebenengleichung bestimmen (a)

A(000)A(0|0|0), B(600)B(6|0|0), M=12(F+G)=12((606)+(666))=(636)M = \frac{1}{2}(F + G) = \frac{1}{2}\bigl((6|0|6) + (6|6|6)\bigr) = (6|3|6)

Richtungsvektoren:

AB=(600),AM=(636)\vec{AB} = \begin{pmatrix} 6 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \vec{AM} = \begin{pmatrix} 6 \\ 3 \\ 6 \end{pmatrix}

Normalenvektor:

n=AB×AM=(060306666306)=(03618)=18(021)\vec{n} = \vec{AB} \times \vec{AM} = \begin{pmatrix} 0 \cdot 6 - 0 \cdot 3 \\ 0 \cdot 6 - 6 \cdot 6 \\ 6 \cdot 3 - 0 \cdot 6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ -36 \\ 18 \end{pmatrix} = 18\begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}

Ebenengleichung mit Aufpunkt A(000)A(0|0|0):

2x2+x3=0-2x_2 + x_3 = 0

K ⁣:2x2+x3=0bzw.x3=2x2\boxed{K\colon -2x_2 + x_3 = 0 \quad \text{bzw.} \quad x_3 = 2x_2}

Kontrolle: AA: 0=00 = 0 ✓, BB: 0=00 = 0 ✓, MM: 6+6=0-6 + 6 = 0

Schritt 2: Schnittfigur des Würfels

Die Ebene K ⁣:x3=2x2K\colon x_3 = 2x_2 schneidet die Würfelflächen:

  • Untere Fläche (x3=0x_3 = 0): x2=0x_2 = 0 \Rightarrow Kante AB\overline{AB}
  • Obere Fläche (x3=6x_3 = 6): x2=3x_2 = 3 \Rightarrow Linie von (036)(0|3|6) bis (636)(6|3|6) =HM= \overline{HM'}, wobei M=(036)M' = (0|3|6) der Mittelpunkt von EH\overline{EH}
  • Rechte Fläche (x1=6x_1 = 6): von B(600)B(6|0|0) bis M(636)M(6|3|6)
  • Linke Fläche (x1=0x_1 = 0): von A(000)A(0|0|0) bis M(036)M'(0|3|6)

Die Schnittfigur ist ein Trapez ABMMABM M' mit M=(036)M' = (0|3|6).

Schritt 3: Volumen des Teilkörpers (b)

Die Ebene KK teilt den Würfel. Der Teilkörper mit DD hat die Ecken AA, BB, CC, DD, MM', MM, GG, HH.

Dieser Körper ist ein Prisma-artiger Körper. Berechnung über Differenz:

Gesamtwürfel: VWu¨rfel=63=216V_{\text{Würfel}} = 6^3 = 216

Teilkörper ohne DD (mit EE, FF): Ein dreiseitiges Prisma mit der Grundfläche als Dreieck AEMAEM' (bzw. BFMBFM) mit Prismenlänge 66.

Dreieck auf der linken Seite (x1=0x_1 = 0): Ecken A(000)A(0|0|0), E(006)E(0|0|6), M(036)M'(0|3|6).

A=12AEd=1263=9A_{\triangle} = \frac{1}{2} \cdot |AE| \cdot d = \frac{1}{2} \cdot 6 \cdot 3 = 9

Volumen des abgeschnittenen Prismas:

VPrisma=A6=96=54V_{\text{Prisma}} = A_{\triangle} \cdot 6 = 9 \cdot 6 = 54

Volumen des Teilkörpers mit DD:

V=21654=162V = 216 - 54 = 162

V=162  VE\boxed{V = 162 \; \text{VE}}

Ergebnis

FrageAntwort
Ebenengleichung KK2x2+x3=0-2x_2 + x_3 = 0
Volumen Teilkörper mit DD162162 VE

Schlagwörter

wuerfelschnittflaechevolumenteilkoerper