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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(1|6|7), B(5|-2|-1) und C(5|1|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 = ( 1 6 7 ) + ( 0 3 6 ) = ( 1 9 13 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|9|13).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-1 -2-6 -1-7 ) = ( 4 -8 -8 ) und AD = BC = ( 5-5 1-( - 2 ) 5-( - 1 ) ) = ( 0 3 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -8 -8 ) × ( 0 3 6 ) = ( -8 · 6 - ( -8 ) · 3 -8 · 0 - 4 · 6 4 · 3 - ( -8 ) · 0 ) = ( -48 +24 0 -24 12 +0 ) = ( -24 -24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 -24 12 ) | = (-24) 2 + (-24)2 + 12 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(2|4|-1), B(-34|28|-9) und C(0|-2|-10).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -34-2 28-4 -9-( - 1 ) ) = ( -36 24 -8 ) und AC = ( 0-2 -2-4 -10-( - 1 ) ) = ( -2 -6 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 24 -8 ) × ( -2 -6 -9 ) = ( 24 · ( -9 ) - ( -8 ) · ( -6 ) -8 · ( -2 ) - ( -36 ) · ( -9 ) -36 · ( -6 ) - 24 · ( -2 ) ) = ( -216 -48 16 -324 216 +48 ) = ( -264 -308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -308 264 ) | = (-264) 2 + (-308)2 + 264 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|-3|6), B(-6|9|-18), C(-23|5|-28) und D(-20|-7|-4) und als Spitze S(0|-24|-15). 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 = ( -6-( - 3 ) 9-( - 3 ) -18-6 ) = ( -3 12 -24 ) und AD = BC = ( -23-( - 6 ) 5-9 -28-( - 18 ) ) = ( -17 -4 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 12 -24 ) × ( -17 -4 -10 ) = ( 12 · ( -10 ) - ( -24 ) · ( -4 ) -24 · ( -17 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · ( -4 ) - 12 · ( -17 ) ) = ( -120 -96 408 -30 12 +204 ) = ( -216 378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 378 216 ) | = (-216) 2 + 3782 + 216 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( -3 -3 6 ) + r ( -3 12 -24 ) + s ( -17 -4 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 12 -24 ) × ( -17 -4 -10 ) = ( 12 · ( -10 ) - ( -24 ) · ( -4 ) -24 · ( -17 ) - ( -3 ) · ( -10 ) -3 · ( -4 ) - 12 · ( -17 ) ) = ( -120 -96 408 -30 12 +204 ) = ( -216 378 216 ) = -54⋅ ( 4 -7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( -3 12 -24 ) und ( -17 -4 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -3 6 ) ] ( 4 -7 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-3|6) erhält man
d = 4(-3) + (-7)(-3) + (-4)6
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = -15

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 = | 4 0-7 ( - 24 )-4 ( - 15 )+15 | 4 2 + ( - 7 ) 2 + ( - 4 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|2|-5), B(17|2|4), C(11|2|12) und als Spitze S(2|5|-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 = ( 17-5 2-2 4-( - 5 ) ) = ( 12 0 9 ) und AC = ( 11-5 2-2 12-( - 5 ) ) = ( 6 0 17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 9 ) × ( 6 0 17 ) = ( 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 54 -204 0+0 ) = ( 0 -150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -150 0 ) | = 0 2 + (-150)2 + 0 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 2 -5 ) + r ( 12 0 9 ) + s ( 6 0 17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 0 9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 9 t -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 12 0 9 ) , denn ( 12 0 9 ) ( 9 t -12 ) =129 + 0t + 9(-12) = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 6 0 17 ) ( 9 t -12 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 9 1 0 -12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 0 9 ) × ( 6 0 17 ) = ( 0 · 17 - 9 · 0 9 · 6 - 12 · 17 12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 54 -204 0+0 ) = ( 0 -150 0 )

= -150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 9 ) und ( 6 0 17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 2 -5 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|2|-5) erhält man
d = 05 + 12 + 0(-5)
also:

+ x 2 = 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+1 5+0 ( - 1 )-2 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-12|10), der Punkt C(0|-7|0) und die Gerade g: x = ( 0 -12 10 ) +t ( 0 4 -3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 37,5 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 ( 0 t 4 t -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-0 -7-( - 12 ) 0-10 ) = ( 0 5 -10 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 4 t -3 t ) × ( 0 5 -10 ) = ( 4 t · ( -10 ) - ( -3 t ) · 5 -3 t · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 5 - 4 t · 0 ) = ( -40 t +15 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 37,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 37,5 |⋅2

| 25t | = 75

1. Fall

25t = 75 |: 25

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +0 t | -12 +4 t | 10 -3 t ) ergibt
B1(0|0|1).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +0 t | -12 +4 t | 10 -3 t ) ergibt
B2(0|-24|19).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12 .

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 +2 x 2 +4 x 3 = 12 ein.

S1: 4 x +2 0 +4 0 = 12 => x= 6 4 =1.5, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +2 y +4 0 = 12 => y= 6 2 =3, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +2 0 +4 z = 12 => z= 6 4 =1.5, also S3(0|0|3)

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⋅6 = 9, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅3
=9

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 10. 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 +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 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 10 |⋅40
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-5|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 20 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 600. 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:

4 x 1 +3 x 2 +5 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 4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 4 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 3 d 5 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 600 |⋅360
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.