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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-1|-4), B(-6|-25|32) und C(-7|5|-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 = ( 2 -1 -4 ) + ( -1 30 -34 ) = ( 1 29 -38 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|29|-38).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 -25-( - 1 ) 32-( - 4 ) ) = ( -8 -24 36 ) und AD = BC = ( -7-( - 6 ) 5-( - 25 ) -2-32 ) = ( -1 30 -34 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 36 ) × ( -1 30 -34 ) = ( -24 · ( -34 ) - 36 · 30 36 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -34 ) -8 · 30 - ( -24 ) · ( -1 ) ) = ( 816 -1080 -36 -272 -240 -24 ) = ( -264 -308 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -308 -264 ) | = (-264) 2 + (-308)2 + (-264) 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(0|-3|-3), B(16|-35|-7) und C(-8|4|-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 = ( 16-0 -35-( - 3 ) -7-( - 3 ) ) = ( 16 -32 -4 ) und AC = ( -8-0 4-( - 3 ) -10-( - 3 ) ) = ( -8 7 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -32 -4 ) × ( -8 7 -7 ) = ( -32 · ( -7 ) - ( -4 ) · 7 -4 · ( -8 ) - 16 · ( -7 ) 16 · 7 - ( -32 ) · ( -8 ) ) = ( 224 +28 32 +112 112 -256 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-4|3|-5), B(-22|15|-1), C(-26|3|17) und D(-8|-9|13) und als Spitze S(12|18|22). 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 = ( -22-( - 4 ) 15-3 -1-( - 5 ) ) = ( -18 12 4 ) und AD = BC = ( -26-( - 22 ) 3-15 17-( - 1 ) ) = ( -4 -12 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 12 4 ) × ( -4 -12 18 ) = ( 12 · 18 - 4 · ( -12 ) 4 · ( -4 ) - ( -18 ) · 18 -18 · ( -12 ) - 12 · ( -4 ) ) = ( 216 +48 -16 +324 216 +48 ) = ( 264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 264 ) | = 264 2 + 3082 + 264 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

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 = ( -4 3 -5 ) + r ( -18 12 4 ) + s ( -4 -12 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -18 12 4 ) × ( -4 -12 18 ) = ( 12 · 18 - 4 · ( -12 ) 4 · ( -4 ) - ( -18 ) · 18 -18 · ( -12 ) - 12 · ( -4 ) ) = ( 216 +48 -16 +324 216 +48 ) = ( 264 308 264 ) = 44⋅ ( 6 7 6 )

Weil der Vektor ( 6 7 6 ) orthogonal zu ( -18 12 4 ) und ( -4 -12 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 3 -5 ) ] ( 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(-4|3|-5) erhält man
d = 6(-4) + 73 + 6(-5)
also:

6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = -33

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 12+7 18+6 22+33 | 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 · 484 · 33 = 5324

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|1|-5), B(-4|1|7), C(-12|1|1) und als Spitze S(1|4|-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 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 = ( -4-5 1-1 7-( - 5 ) ) = ( -9 0 12 ) und AC = ( -12-5 1-1 1-( - 5 ) ) = ( -17 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 0 12 ) × ( -17 0 6 ) = ( 0 · 6 - 12 · 0 12 · ( -17 ) - ( -9 ) · 6 -9 · 0 - 0 · ( -17 ) ) = ( 0+0 -204 +54 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 1 -5 ) + r ( -9 0 12 ) + s ( -17 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= -150⋅ ( 0 1 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|1|-5) erhält man
d = 05 + 11 + 0(-5)
also:

+ x 2 = 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 1+1 4+0 ( - 8 )-1 | 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(-5|-2|-5), der Punkt C(4|-1|-9) und die Gerade g: x = ( -5 -2 -5 ) +t ( -6 -3 -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 = 49 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 -3 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-( - 5 ) -1-( - 2 ) -9-( - 5 ) ) = ( 9 1 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t -3 t -2 t ) × ( 9 1 -4 ) = ( -3 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · 1 -2 t · 9 - ( -6 t ) · ( -4 ) -6 t · 1 - ( -3 t ) · 9 ) = ( 12 t +2 t -18 t -24 t -6 t +27 t ) = ( 14 t -42 t 21 t ) .

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

| 49t | = 98

1. Fall

49t = 98 |: 49

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 -6 t | -2 -3 t | -5 -2 t ) ergibt
B1(-17|-8|-9).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 -6 t | -2 -3 t | -5 -2 t ) ergibt
B2(7|4|-1).

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

S1: 1 x +4 0 +4 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +4 y +4 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 1 0 +4 0 +4 z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

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 +4 x 3 = 8

Aber auch E2: x 1 +4 x 2 +4 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|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +4 x 2 +4 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: 3 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 150. 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 +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 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 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 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 2 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 2 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +2 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|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.