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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-7|-5), B(10|29|19) und C(13|4|-5) 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 = ( 2 -7 -5 ) + ( 3 -25 -24 ) = ( 5 -32 -29 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|-32|-29).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-2 29-( - 7 ) 19-( - 5 ) ) = ( 8 36 24 ) und AD = BC = ( 13-10 4-29 -5-19 ) = ( 3 -25 -24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 36 24 ) × ( 3 -25 -24 ) = ( 36 · ( -24 ) - 24 · ( -25 ) 24 · 3 - 8 · ( -24 ) 8 · ( -25 ) - 36 · 3 ) = ( -864 +600 72 +192 -200 -108 ) = ( -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(-10|1|5), B(6|1|-7) und C(-5|1|-5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-( - 10 ) 1-1 -7-5 ) = ( 16 0 -12 ) und AC = ( -5-( - 10 ) 1-1 -5-5 ) = ( 5 0 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 0 -12 ) × ( 5 0 -10 ) = ( 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 5 - 16 · ( -10 ) 16 · 0 - 0 · 5 ) = ( 0+0 -60 +160 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 0 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-5|-3|5), B(1|-30|-13), C(19|-34|-1) und D(13|-7|17) und als Spitze S(-14|-23|32). 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 = ( 1-( - 5 ) -30-( - 3 ) -13-5 ) = ( 6 -27 -18 ) und AD = BC = ( 19-1 -34-( - 30 ) -1-( - 13 ) ) = ( 18 -4 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -27 -18 ) × ( 18 -4 12 ) = ( -27 · 12 - ( -18 ) · ( -4 ) -18 · 18 - 6 · 12 6 · ( -4 ) - ( -27 ) · 18 ) = ( -324 -72 -324 -72 -24 +486 ) = ( -396 -396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 -396 462 ) | = (-396) 2 + (-396)2 + 462 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 = ( -5 -3 5 ) + r ( 6 -27 -18 ) + s ( 18 -4 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -27 -18 ) × ( 18 -4 12 ) = ( -27 · 12 - ( -18 ) · ( -4 ) -18 · 18 - 6 · 12 6 · ( -4 ) - ( -27 ) · 18 ) = ( -324 -72 -324 -72 -24 +486 ) = ( -396 -396 462 ) = 66⋅ ( -6 -6 7 )

Weil der Vektor ( -6 -6 7 ) orthogonal zu ( 6 -27 -18 ) und ( 18 -4 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -3 5 ) ] ( -6 -6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-3|5) erhält man
d = (-6)(-5) + (-6)(-3) + 75
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 83

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 = | -6 ( - 14 )-6 ( - 23 )+7 32-83 | ( - 6 ) 2 + ( - 6 ) 2 + 7 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|3|-2), B(-13|-3|-2), C(-7|-11|-2) und als Spitze S(-2|-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 = ( -13-( - 5 ) -3-3 -2-( - 2 ) ) = ( -8 -6 0 ) und AC = ( -7-( - 5 ) -11-3 -2-( - 2 ) ) = ( -2 -14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -6 0 ) × ( -2 -14 0 ) = ( -6 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -2 ) - ( -8 ) · 0 -8 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 112 -12 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

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 -2 ) + r ( -8 -6 0 ) + s ( -2 -14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -8 -6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 6 -8 t ) für jedes t orthogonal zu ( -8 -6 0 ) , denn ( -8 -6 0 ) ( 6 -8 t ) =(-8)6 + (-6)(-8) + 0t = -48+48+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 -14 0 ) ( 6 -8 t ) = 0⋅t +100 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 6 -8 - 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -8 -6 0 ) × ( -2 -14 0 ) = ( -6 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -2 ) - ( -8 ) · 0 -8 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 112 -12 ) = ( 0 0 100 )

= 100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -8 -6 0 ) und ( -2 -14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 3 -2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|3|-2) erhält man
d = 0(-5) + 03 + 1(-2)
also:

+ 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 = | 0 ( - 2 )+0 ( - 1 )+1 1+2 | 0 2 + 0 2 + 1 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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|7|8), der Punkt C(-2|-6|-1) und die Gerade g: x = ( -2 7 8 ) +t ( 0 -3 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 50 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 -3 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -2-( - 2 ) -6-7 -1-8 ) = ( 0 -13 -9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t -3 t -4 t ) × ( 0 -13 -9 ) = ( -3 t · ( -9 ) - ( -4 t ) · ( -13 ) -4 t · 0 - 0 · ( -9 ) 0 · ( -13 ) - ( -3 t ) · 0 ) = ( 27 t -52 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 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +0 t | 7 -3 t | 8 -4 t ) ergibt
B1(-2|-5|-8).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +0 t | 7 -3 t | 8 -4 t ) ergibt
B2(-2|19|24).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 5 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 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 ⋅ 6⋅15 = 45, 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 ⋅45⋅6
=90

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 x 2 +4 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 90. 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 +4 x 2 +4 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 +4 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 90 |⋅40
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 60

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 60 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 + x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 6. 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 + x 2 +2 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 + x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 1 d 2 = d 3 36

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 36 d 3 = 6 |⋅36
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 + x 2 +2 x 3 = 6

Aber auch E2: 3 x 1 + x 2 +2 x 3 = -6 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 + x 2 +2 x 3 = 6 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.