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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(10|6|-2), B(-22|2|14) und C(1|-3|-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 → = ( 10 6 -2 ) + ( 23 -5 -16 ) = ( 33 1 -18 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(33|1|-18).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -22-10 2-6 14-( - 2 ) ) = ( -32 -4 16 ) und AD → = BC → = ( 1-( - 22 ) -3-2 -2-14 ) = ( 23 -5 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -32 -4 16 ) × ( 23 -5 -16 ) = ( -4 · ( -16 ) - 16 · ( -5 ) 16 · 23 - ( -32 ) · ( -16 ) -32 · ( -5 ) - ( -4 ) · 23 ) = ( 64 +80 368 -512 160 +92 ) = ( 144 -144 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 -144 252 ) | = 144 2 + (-144)2 + 252 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(17|5|-11), B(-19|-3|13) und C(-3|-8|-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 → = ( -19-17 -3-5 13-( - 11 ) ) = ( -36 -8 24 ) und AC → = ( -3-17 -8-5 -5-( - 11 ) ) = ( -20 -13 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -36 -8 24 ) × ( -20 -13 6 ) = ( -8 · 6 - 24 · ( -13 ) 24 · ( -20 ) - ( -36 ) · 6 -36 · ( -13 ) - ( -8 ) · ( -20 ) ) = ( -48 +312 -480 +216 468 -160 ) = ( 264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 264 -264 308 ) | = 264 2 + (-264)2 + 308 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(0|5|3), B(24|17|0), C(26|9|-16) und D(2|-3|-13) und als Spitze S(13|-20|7). 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 → = ( 24-0 17-5 0-3 ) = ( 24 12 -3 ) und AD → = BC → = ( 26-24 9-17 -16-0 ) = ( 2 -8 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 24 12 -3 ) × ( 2 -8 -16 ) = ( 12 · ( -16 ) - ( -3 ) · ( -8 ) -3 · 2 - 24 · ( -16 ) 24 · ( -8 ) - 12 · 2 ) = ( -192 -24 -6 +384 -192 -24 ) = ( -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 → = ( 0 5 3 ) + r ⋅ ( 24 12 -3 ) + s ⋅ ( 2 -8 -16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 24 12 -3 ) × ( 2 -8 -16 ) = ( 12 · ( -16 ) - ( -3 ) · ( -8 ) -3 · 2 - 24 · ( -16 ) 24 · ( -8 ) - 12 · 2 ) = ( -192 -24 -6 +384 -192 -24 ) = ( -216 378 -216 ) = -54⋅ ( 4 -7 4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 4 ) orthogonal zu ( 24 12 -3 ) und ( 2 -8 -16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 0 5 3 ) ] ∘ ( 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(0|5|3) erhält man
d = 4⋅0 + (-7)⋅5 + 4⋅3
also:

4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = -23

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 ⋅ 13-7 ⋅ ( - 20 )+4 ⋅ 7+23 | 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|0|0), B(11|8|2), C(13|0|18) und als Spitze S(8|-25|-4).
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 ) 8-0 2-0 ) = ( 16 8 2 ) und AC → = ( 13-( - 5 ) 0-0 18-0 ) = ( 18 0 18 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 -252 -144 ) | = 144 2 + (-252)2 + (-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 → = ( -5 0 0 ) + r ⋅ ( 16 8 2 ) + s ⋅ ( 18 0 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 0 18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 18 t -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 18 0 18 ) , denn ( 18 0 18 ) ∘ ( 18 t -18 ) =18⋅18 + 0⋅t + 18⋅(-18) = 324+0-324=0.

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

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

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

= 36⋅ ( 4 -7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( 16 8 2 ) und ( 18 0 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 0 0 ) ] ∘ ( 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(-5|0|0) erhält man
d = 4⋅(-5) + (-7)⋅0 + (-4)⋅0
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = -20

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 ⋅ 8-7 ⋅ ( - 25 )-4 ⋅ ( - 4 )+20 | 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|2|11), der Punkt C(2|-8|6) und die Gerade g: x → = ( 2 2 11 ) +t⋅ ( 0 -3 -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 = 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 -3 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 2-2 -8-2 6-11 ) = ( 0 -10 -5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 t -3 t -4 t ) × ( 0 -10 -5 ) = ( -3 t · ( -5 ) - ( -4 t ) · ( -10 ) -4 t · 0 - 0 · ( -5 ) 0 · ( -10 ) - ( -3 t ) · 0 ) = ( 15 t -40 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 ( 2 +0 t | 2 -3 t | 11 -4 t ) ergibt
B1(2|-7|-1).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +0 t | 2 -3 t | 11 -4 t ) ergibt
B2(2|11|23).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 3 ein.

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

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⋅1 = 1.5, 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= 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅1.5⋅1
=0.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +4 x 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 8. 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 +4 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 x 1 +4 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 ⋅ x +4⋅ 0 +1⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +4⋅ y +1⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 1 ⋅ 0 +4⋅ 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 ⋅ d 1 ⋅ d 4 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 8 |⋅8
d 2 = 64 | ⋅2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +4 x 2 + x 3 = 8

Aber auch E2: x 1 +4 x 2 + x 3 = -8 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +4 x 2 + x 3 = 8 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 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 324. 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 +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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 ⋅ x +3⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +3⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 ⋅ 0 +3⋅ 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 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 2 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 2 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 324 |⋅144
d 3 = 46656 | ⋅3
d = 46656 3 = 36

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

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

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