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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|8|3), B(-2|-8|-9) und C(-2|7|-4) 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 8 3 ) + ( 0 15 5 ) = ( -2 23 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-2|23|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -2-( - 2 ) -8-8 -9-3 ) = ( 0 -16 -12 ) und AD → = BC → = ( -2-( - 2 ) 7-( - 8 ) -4-( - 9 ) ) = ( 0 15 5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -16 -12 ) × ( 0 15 5 ) = ( -16 · 5 - ( -12 ) · 15 -12 · 0 - 0 · 5 0 · 15 - ( -16 ) · 0 ) = ( -80 +180 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 100 0 0 ) | = 100 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(5|-3|-4), B(9|5|-12) und C(7|-5|-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 → = ( 9-5 5-( - 3 ) -12-( - 4 ) ) = ( 4 8 -8 ) und AC → = ( 7-5 -5-( - 3 ) -5-( - 4 ) ) = ( 2 -2 -1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 8 -8 ) × ( 2 -2 -1 ) = ( 8 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -2 ) -8 · 2 - 4 · ( -1 ) 4 · ( -2 ) - 8 · 2 ) = ( -8 -16 -16 +4 -8 -16 ) = ( -24 -12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -24 -12 -24 ) | = (-24) 2 + (-12)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(5|7|0), B(-19|-1|12), C(-19|-15|19) und D(5|-7|7) und als Spitze S(8|8|23). 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 → = ( -19-5 -1-7 12-0 ) = ( -24 -8 12 ) und AD → = BC → = ( -19-( - 19 ) -15-( - 1 ) 19-12 ) = ( 0 -14 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -24 -8 12 ) × ( 0 -14 7 ) = ( -8 · 7 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - ( -24 ) · 7 -24 · ( -14 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -56 +168 0 +168 336 +0 ) = ( 112 168 336 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 112 168 336 ) | = 112 2 + 1682 + 336 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 392.

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 7 0 ) + r ⋅ ( -24 -8 12 ) + s ⋅ ( 0 -14 7 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -14 7 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -7 -14 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -14 7 ) , denn ( 0 -14 7 ) ∘ ( t -7 -14 ) =0⋅t + (-14)⋅(-7) + 7⋅(-14) = 0+98-98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -24 -8 12 ) ⋅ ( t -7 -14 ) = -24⋅t -112 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( - 14 3 -7 -14 ) = 1 3 ⋅ ( -14 -21 -42 ) = -7 3 ⋅ ( 2 3 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -24 -8 12 ) × ( 0 -14 7 ) = ( -8 · 7 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - ( -24 ) · 7 -24 · ( -14 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -56 +168 0 +168 336 +0 ) = ( 112 168 336 )

= 56⋅ ( 2 3 6 )

Weil der Vektor ( 2 3 6 ) orthogonal zu ( -24 -8 12 ) und ( 0 -14 7 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 5 7 0 ) ] ∘ ( 2 3 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|7|0) erhält man
d = 2⋅5 + 3⋅7 + 6⋅0
also:

2 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = 31

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 ⋅ 8+3 ⋅ 8+6 ⋅ 23-31 | 2 2 + 3 2 + 6 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|-1|2), B(-11|-1|14), C(-9|-1|25) und als Spitze S(4|2|9).
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 → = ( -11-5 -1-( - 1 ) 14-2 ) = ( -16 0 12 ) und AC → = ( -9-5 -1-( - 1 ) 25-2 ) = ( -14 0 23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -16 0 12 ) × ( -14 0 23 ) = ( 0 · 23 - 12 · 0 12 · ( -14 ) - ( -16 ) · 23 -16 · 0 - 0 · ( -14 ) ) = ( 0+0 -168 +368 0+0 ) = ( 0 200 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 200 0 ) | = 0 2 + 2002 + 0 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 -1 2 ) + r ⋅ ( -16 0 12 ) + s ⋅ ( -14 0 23 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -16 0 12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 t 16 ) für jedes t orthogonal zu ( -16 0 12 ) , denn ( -16 0 12 ) ∘ ( 12 t 16 ) =(-16)⋅12 + 0⋅t + 12⋅16 = -192+0+192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 0 23 ) ⋅ ( 12 t 16 ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( 12 - 1 0 16 ) = 1 0 ⋅ ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -16 0 12 ) × ( -14 0 23 ) = ( 0 · 23 - 12 · 0 12 · ( -14 ) - ( -16 ) · 23 -16 · 0 - 0 · ( -14 ) ) = ( 0+0 -168 +368 0+0 ) = ( 0 200 0 )

= 200⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -16 0 12 ) und ( -14 0 23 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 5 -1 2 ) ] ∘ ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

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

+ x 2 = -1

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 ⋅ 4+1 ⋅ 2+0 ⋅ 9+1 | 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-13|14), der Punkt C(-8|-2|-1) und die Gerade g: x → = ( 4 -13 14 ) +t⋅ ( -2 3 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 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 3 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -8-4 -2-( - 13 ) -1-14 ) = ( -12 11 -15 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -2 t 3 t -6 t ) × ( -12 11 -15 ) = ( 3 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · 11 -6 t · ( -12 ) - ( -2 t ) · ( -15 ) -2 t · 11 - 3 t · ( -12 ) ) = ( -45 t +66 t 72 t -30 t -22 t +36 t ) = ( 21 t 42 t 14 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 21 t 42 t 14 t ) | = 441 t 2 +1764 t 2 +196 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | -13 +3 t | 14 -6 t ) ergibt
B1(-4|-1|-10).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | -13 +3 t | 14 -6 t ) ergibt
B2(12|-25|38).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 120 .

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 4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 120 ein.

S1: 4 ⋅ x +3⋅ 0 +5⋅ 0 = 120 => x= 120 4 =30, also S1(30|0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +3⋅ y +5⋅ 0 = 120 => y= 120 3 =40, also S2(0|40|0)
S3: 4 ⋅ 0 +3⋅ 0 +5⋅ z = 120 => z= 120 5 =24, also S3(0|0|24)

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 ⋅ 30⋅40 = 600, 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= 24 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅600⋅24
=4800

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

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 1 = d 2 6

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 2 = 6 |⋅6
d 2 = 36 | ⋅2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

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

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

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +2 x 2 +4 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 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 5 ⋅ d 2 , 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ d 5 ⋅ d 2 ⋅ d 4 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | ⋅3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.