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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(0|-7|-6), B(-4|1|2) und C(-5|0|-2) 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 = ( 0 -7 -6 ) + ( -1 -1 -4 ) = ( -1 -8 -10 )

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

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

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 8 8 ) × ( -1 -1 -4 ) = ( 8 · ( -4 ) - 8 · ( -1 ) 8 · ( -1 ) - ( -4 ) · ( -4 ) -4 · ( -1 ) - 8 · ( -1 ) ) = ( -32 +8 -8 -16 4 +8 ) = ( -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|5|-21), B(6|-7|3) und C(10|-6|-6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-( - 2 ) -7-5 3-( - 21 ) ) = ( 8 -12 24 ) und AC = ( 10-( - 2 ) -6-5 -6-( - 21 ) ) = ( 12 -11 15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -12 24 ) × ( 12 -11 15 ) = ( -12 · 15 - 24 · ( -11 ) 24 · 12 - 8 · 15 8 · ( -11 ) - ( -12 ) · 12 ) = ( -180 +264 288 -120 -88 +144 ) = ( 84 168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 168 56 ) | = 84 2 + 1682 + 56 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(-1|-2|1), B(5|-8|-2), C(3|-12|-7) und D(-3|-6|-4) und als Spitze S(2|1|-8). 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 = ( 5-( - 1 ) -8-( - 2 ) -2-1 ) = ( 6 -6 -3 ) und AD = BC = ( 3-5 -12-( - 8 ) -7-( - 2 ) ) = ( -2 -4 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -6 -3 ) × ( -2 -4 -5 ) = ( -6 · ( -5 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -2 ) - 6 · ( -5 ) 6 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -2 ) ) = ( 30 -12 6 +30 -24 -12 ) = ( 18 36 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 18 36 -36 ) | = 18 2 + 362 + (-36) 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 = ( -1 -2 1 ) + r ( 6 -6 -3 ) + s ( -2 -4 -5 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -6 -3 ) × ( -2 -4 -5 ) = ( -6 · ( -5 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -2 ) - 6 · ( -5 ) 6 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -2 ) ) = ( 30 -12 6 +30 -24 -12 ) = ( 18 36 -36 ) = 18⋅ ( 1 2 -2 )

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

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

x 1 +2 x 2 -2 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 = | 1 2+2 1-2 ( - 8 )+7 | 1 2 + 2 2 + ( - 2 ) 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(-1|-5|-1), B(-9|1|-1), C(-3|9|-1) und als Spitze S(2|-1|2).
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 = ( -9-( - 1 ) 1-( - 5 ) -1-( - 1 ) ) = ( -8 6 0 ) und AC = ( -3-( - 1 ) 9-( - 5 ) -1-( - 1 ) ) = ( -2 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 6 0 ) × ( -2 14 0 ) = ( 6 · 0 - 0 · 14 0 · ( -2 ) - ( -8 ) · 0 -8 · 14 - 6 · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 -112 +12 ) = ( 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 -5 -1 ) + r ( -8 6 0 ) + s ( -2 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= -100⋅ ( 0 0 1 )

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

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

+ x 3 = -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 2+0 ( - 1 )+1 2+1 | 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(5|-7|-7), der Punkt C(0|-4|1) und die Gerade g: x = ( 5 -7 -7 ) +t ( -3 6 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 = 73,5 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 ( -3 t 6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-5 -4-( - 7 ) 1-( - 7 ) ) = ( -5 3 8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t 6 t 2 t ) × ( -5 3 8 ) = ( 6 t · 8 - 2 t · 3 2 t · ( -5 ) - ( -3 t ) · 8 -3 t · 3 - 6 t · ( -5 ) ) = ( 48 t -6 t -10 t +24 t -9 t +30 t ) = ( 42 t 14 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 42 t 14 t 21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 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 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -3 t | -7 +6 t | -7 +2 t ) ergibt
B1(-4|11|-1).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 5 -3 t | -7 +6 t | -7 +2 t ) ergibt
B2(14|-25|-13).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30 .

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 +2 x 2 +2 x 3 = 30 ein.

S1: 5 x +2 0 +2 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +2 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +2 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =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 ⋅ 6⋅15 = 45, 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 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +2 x 2 +5 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 50. 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 +2 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 2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 2 d 2 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 50 |⋅8
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +2 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: 3 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 60. 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 +5 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 3 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +5 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 3 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 5 d 5 = d 3 450

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 450 d 3 = 60 |⋅450
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.