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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(1|2|4), B(1|-10|-12) und C(1|-8|-1) 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 2 4 ) + ( 0 2 11 ) = ( 1 4 15 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|4|15).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-1 -10-2 -12-4 ) = ( 0 -12 -16 ) und AD = BC = ( 1-1 -8-( - 10 ) -1-( - 12 ) ) = ( 0 2 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 -16 ) × ( 0 2 11 ) = ( -12 · 11 - ( -16 ) · 2 -16 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -12 ) · 0 ) = ( -132 +32 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(6|-6|9), B(-2|-2|1) und C(-1|-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 = ( -2-6 -2-( - 6 ) 1-9 ) = ( -8 4 -8 ) und AC = ( -1-6 -1-( - 6 ) 5-9 ) = ( -7 5 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 4 -8 ) × ( -7 5 -4 ) = ( 4 · ( -4 ) - ( -8 ) · 5 -8 · ( -7 ) - ( -8 ) · ( -4 ) -8 · 5 - 4 · ( -7 ) ) = ( -16 +40 56 -32 -40 +28 ) = ( 24 24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 -12 ) | = 24 2 + 242 + (-12) 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(2|-9|13), B(-4|9|-14), C(-24|3|-27) und D(-18|-15|0) und als Spitze S(-27|12|20). 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 = ( -4-2 9-( - 9 ) -14-13 ) = ( -6 18 -27 ) und AD = BC = ( -24-( - 4 ) 3-9 -27-( - 14 ) ) = ( -20 -6 -13 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 462 396 ) | = (-396) 2 + 4622 + 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 = ( 2 -9 13 ) + r ( -6 18 -27 ) + s ( -20 -6 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( -6 7 6 ) orthogonal zu ( -6 18 -27 ) und ( -20 -6 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -9 13 ) ] ( -6 7 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-9|13) erhält man
d = (-6)2 + 7(-9) + 613
also:

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

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 ( - 27 )+7 12+6 20-3 | ( - 6 ) 2 + 7 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|3|5), B(1|-5|11), C(1|1|19) und als Spitze S(4|6|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 = ( 1-1 -5-3 11-5 ) = ( 0 -8 6 ) und AC = ( 1-1 1-3 19-5 ) = ( 0 -2 14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -8 6 ) × ( 0 -2 14 ) = ( -8 · 14 - 6 · ( -2 ) 6 · 0 - 0 · 14 0 · ( -2 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -112 +12 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 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 3 5 ) + r ( 0 -8 6 ) + s ( 0 -2 14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -8 6 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -6 -8 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -8 6 ) , denn ( 0 -8 6 ) ( t -6 -8 ) =0t + (-8)(-6) + 6(-8) = 0+48-48=0.

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

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

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

= -100⋅ ( 1 0 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|3|5) erhält man
d = 11 + 03 + 05
also:

x 1 = 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 = | 1 4+0 6+0 9-1 | 1 2 + 0 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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-5|5), der Punkt C(8|-6|9) und die Gerade g: x = ( 0 -5 5 ) +t ( 1 -8 -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 = 121,5 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 ( t -8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 8-0 -6-( - 5 ) 9-5 ) = ( 8 -1 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -8 t -4 t ) × ( 8 -1 4 ) = ( -8 t · 4 - ( -4 t ) · ( -1 ) -4 t · 8 - t · 4 t · ( -1 ) - ( -8 t ) · 8 ) = ( -32 t -4 t -32 t -4 t - t +64 t ) = ( -36 t -36 t 63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t -36 t 63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +1 t | -5 -8 t | 5 -4 t ) ergibt
B1(3|-29|-7).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +1 t | -5 -8 t | 5 -4 t ) ergibt
B2(-3|19|17).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 + x 2 + x 3 = 15 .

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 + x 2 + x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +1 0 +1 0 = 15 => x= 15 5 =3, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +1 y +1 0 = 15 => y=15=15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +1 0 +1 z = 15 => z=15=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 ⋅ 3⋅15 = 22.5, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅22.5⋅15
=112.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +4 x 2 +2 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 108. 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 +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 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +4 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 3 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 108 |⋅12
d 2 = 1296 | 2
d1 = - 1296 = -36
d2 = 1296 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36

Aber auch E2: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36 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 +4 x 2 +2 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 +4 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 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 )

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 4 , 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 5 d 4 d 2 = 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 +4 x 2 +2 x 3 = 60

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +2 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|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.