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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-14|9|-4), B(10|-3|4) und C(1|-2|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 = ( -14 9 -4 ) + ( -9 1 4 ) = ( -23 10 0 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-23|10|0).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-( - 14 ) -3-9 4-( - 4 ) ) = ( 24 -12 8 ) und AD = BC = ( 1-10 -2-( - 3 ) 8-4 ) = ( -9 1 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -12 8 ) × ( -9 1 4 ) = ( -12 · 4 - 8 · 1 8 · ( -9 ) - 24 · 4 24 · 1 - ( -12 ) · ( -9 ) ) = ( -48 -8 -72 -96 24 -108 ) = ( -56 -168 -84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -168 -84 ) | = (-56) 2 + (-168)2 + (-84) 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-2|6|-3), B(10|-18|5) und C(3|3|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 = ( 10-( - 2 ) -18-6 5-( - 3 ) ) = ( 12 -24 8 ) und AC = ( 3-( - 2 ) 3-6 5-( - 3 ) ) = ( 5 -3 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -24 8 ) × ( 5 -3 8 ) = ( -24 · 8 - 8 · ( -3 ) 8 · 5 - 12 · 8 12 · ( -3 ) - ( -24 ) · 5 ) = ( -192 +24 40 -96 -36 +120 ) = ( -168 -56 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 -56 84 ) | = (-168) 2 + (-56)2 + 84 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(-7|1|6), B(11|7|-21), C(5|27|-34) und D(-13|21|-7) und als Spitze S(14|30|13). 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 = ( 11-( - 7 ) 7-1 -21-6 ) = ( 18 6 -27 ) und AD = BC = ( 5-11 27-7 -34-( - 21 ) ) = ( -6 20 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 6 -27 ) × ( -6 20 -13 ) = ( 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 -27 · ( -6 ) - 18 · ( -13 ) 18 · 20 - 6 · ( -6 ) ) = ( -78 +540 162 +234 360 +36 ) = ( 462 396 396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 462 396 396 ) | = 462 2 + 3962 + 396 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 = ( -7 1 6 ) + r ( 18 6 -27 ) + s ( -6 20 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 6 -27 ) × ( -6 20 -13 ) = ( 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 -27 · ( -6 ) - 18 · ( -13 ) 18 · 20 - 6 · ( -6 ) ) = ( -78 +540 162 +234 360 +36 ) = ( 462 396 396 ) = 66⋅ ( 7 6 6 )

Weil der Vektor ( 7 6 6 ) orthogonal zu ( 18 6 -27 ) und ( -6 20 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -7 1 6 ) ] ( 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(-7|1|6) erhält man
d = 7(-7) + 61 + 66
also:

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

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 14+6 30+6 13+7 | 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|4|0), B(-7|12|0), C(-15|6|0) und als Spitze S(-5|1|3).
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 = ( -7-( - 1 ) 12-4 0-0 ) = ( -6 8 0 ) und AC = ( -15-( - 1 ) 6-4 0-0 ) = ( -14 2 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 8 0 ) × ( -14 2 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · 2 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · 2 - 8 · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 -12 +112 ) = ( 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 = ( -1 4 0 ) + r ( -6 8 0 ) + s ( -14 2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= 100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -6 8 0 ) und ( -14 2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 4 0 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|4|0) erhält man
d = 0(-1) + 04 + 10
also:

+ x 3 = 0

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 ( - 5 )+0 1+1 3-0 | 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(3|3|0), der Punkt C(6|0|0) und die Gerade g: x = ( 3 3 0 ) +t ( 2 -1 -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 = 13,5 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 ( 2 t -1 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 6-3 0-3 0-0 ) = ( 3 -3 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -1 t -2 t ) × ( 3 -3 0 ) = ( - t · 0 - ( -2 t ) · ( -3 ) -2 t · 3 - 2 t · 0 2 t · ( -3 ) - ( - t ) · 3 ) = ( 0 -6 t -6 t +0 -6 t +3 t ) = ( -6 t -6 t -3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -6 t -6 t -3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +2 t | 3 -1 t | 0 -2 t ) ergibt
B1(9|0|-6).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +2 t | 3 -1 t | 0 -2 t ) ergibt
B2(-3|6|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 + x 3 = 6 .

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 + x 3 = 6 ein.

S1: 2 x +2 0 +1 0 = 6 => x= 6 2 =3, also S1(3|0|0)
S2: 2 0 +2 y +1 0 = 6 => y= 6 2 =3, also S2(0|3|0)
S3: 2 0 +2 0 +1 z = 6 => z=6=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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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 ⋅4.5⋅6
=9

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +3 x 2 +2 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 300. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 300 |⋅12
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +2 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: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 162. 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 +3 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 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +3 0 +2 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 1 0 +3 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 1 d 3 , 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 1 d 3 d 2 = d 3 36

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 36 d 3 = 162 |⋅36
d 3 = 5832 | 3
d = 5832 3 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.