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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(4|-1|-2), B(12|7|-6) und C(0|-2|-3) 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 = ( 4 -1 -2 ) + ( -12 -9 3 ) = ( -8 -10 1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-8|-10|1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 12-4 7-( - 1 ) -6-( - 2 ) ) = ( 8 8 -4 ) und AD = BC = ( 0-12 -2-7 -3-( - 6 ) ) = ( -12 -9 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 8 -4 ) × ( -12 -9 3 ) = ( 8 · 3 - ( -4 ) · ( -9 ) -4 · ( -12 ) - 8 · 3 8 · ( -9 ) - 8 · ( -12 ) ) = ( 24 -36 48 -24 -72 +96 ) = ( -12 24 24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 24 24 ) | = (-12) 2 + 242 + 24 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(-5|-4|-4), B(7|12|-4) und C(-1|-7|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 7-( - 5 ) 12-( - 4 ) -4-( - 4 ) ) = ( 12 16 0 ) und AC = ( -1-( - 5 ) -7-( - 4 ) -4-( - 4 ) ) = ( 4 -3 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 16 0 ) × ( 4 -3 0 ) = ( 16 · 0 - 0 · ( -3 ) 0 · 4 - 12 · 0 12 · ( -3 ) - 16 · 4 ) = ( 0+0 0+0 -36 -64 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(5|0|1), B(8|-6|-5), C(12|-8|-1) und D(9|-2|5) und als Spitze S(1|-7|6). 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 = ( 8-5 -6-0 -5-1 ) = ( 3 -6 -6 ) und AD = BC = ( 12-8 -8-( - 6 ) -1-( - 5 ) ) = ( 4 -2 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 -6 -6 ) × ( 4 -2 4 ) = ( -6 · 4 - ( -6 ) · ( -2 ) -6 · 4 - 3 · 4 3 · ( -2 ) - ( -6 ) · 4 ) = ( -24 -12 -24 -12 -6 +24 ) = ( -36 -36 18 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 -36 18 ) | = (-36) 2 + (-36)2 + 18 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 54.

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 0 1 ) + r ( 3 -6 -6 ) + s ( 4 -2 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 3 -6 -6 ) × ( 4 -2 4 ) = ( -6 · 4 - ( -6 ) · ( -2 ) -6 · 4 - 3 · 4 3 · ( -2 ) - ( -6 ) · 4 ) = ( -24 -12 -24 -12 -6 +24 ) = ( -36 -36 18 ) = 18⋅ ( -2 -2 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|0|1) erhält man
d = (-2)5 + (-2)0 + 11
also:

-2 x 1 -2 x 2 + x 3 = -9

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 1-2 ( - 7 )+1 6+9 | ( - 2 ) 2 + ( - 2 ) 2 + 1 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|-3|-1), B(10|-1|-17), C(2|15|-19) und als Spitze S(19|17|10).
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 = ( 10-2 -1-( - 3 ) -17-( - 1 ) ) = ( 8 2 -16 ) und AC = ( 2-2 15-( - 3 ) -19-( - 1 ) ) = ( 0 18 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 2 -16 ) × ( 0 18 -18 ) = ( 2 · ( -18 ) - ( -16 ) · 18 -16 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · 18 - 2 · 0 ) = ( -36 +288 0 +144 144 +0 ) = ( 252 144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 144 ) | = 252 2 + 1442 + 144 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

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 = ( 2 -3 -1 ) + r ( 8 2 -16 ) + s ( 0 18 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 18 -18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 18 18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 18 -18 ) , denn ( 0 18 -18 ) ( t 18 18 ) =0t + 1818 + (-18)18 = 0+324-324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 2 -16 ) ( t 18 18 ) = 8⋅t -252 = 0 wird, also t= 63 2 = 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 63 2 18 18 ) = 1 2 ( 63 36 36 ) = 9 2 ( 7 4 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 8 2 -16 ) × ( 0 18 -18 ) = ( 2 · ( -18 ) - ( -16 ) · 18 -16 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · 18 - 2 · 0 ) = ( -36 +288 0 +144 144 +0 ) = ( 252 144 144 )

= 36⋅ ( 7 4 4 )

Weil der Vektor ( 7 4 4 ) orthogonal zu ( 8 2 -16 ) und ( 0 18 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -3 -1 ) ] ( 7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-3|-1) erhält man
d = 72 + 4(-3) + 4(-1)
also:

7 x 1 +4 x 2 +4 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 = | 7 19+4 17+4 10+2 | 7 2 + 4 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-11|5|-2), der Punkt C(-11|-6|-13) und die Gerade g: x = ( -11 5 -2 ) +t ( 6 -9 -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 = 242 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 ( 6 t -9 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -11-( - 11 ) -6-5 -13-( - 2 ) ) = ( 0 -11 -11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t -9 t -2 t ) × ( 0 -11 -11 ) = ( -9 t · ( -11 ) - ( -2 t ) · ( -11 ) -2 t · 0 - 6 t · ( -11 ) 6 t · ( -11 ) - ( -9 t ) · 0 ) = ( 99 t -22 t 0 +66 t -66 t +0 ) = ( 77 t 66 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 77 t 66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 +6 t | 5 -9 t | -2 -2 t ) ergibt
B1(13|-31|-10).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 +6 t | 5 -9 t | -2 -2 t ) ergibt
B2(-35|41|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 .

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 +5 x 2 +4 x 3 = 60 ein.

S1: 2 x +5 0 +4 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +5 y +4 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 2 0 +5 0 +4 z = 60 => z= 60 4 =15, also S3(0|0|15)

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⋅12 = 180, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅180⋅15
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + x 2 +5 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 40. 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 + x 2 +5 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 x 1 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +1 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 1 d 5 = d 2 10

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

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

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 + x 2 +5 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: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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:

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

S1: 2 x +5 0 +2 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 2 d 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 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 2 d 5 d 2 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.