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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|5|4), B(5|-11|4) und C(0|4|4) 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 = ( -7 5 4 ) + ( -5 15 0 ) = ( -12 20 4 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-12|20|4).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 7 ) -11-5 4-4 ) = ( 12 -16 0 ) und AD = BC = ( 0-5 4-( - 11 ) 4-4 ) = ( -5 15 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -16 0 ) × ( -5 15 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · 15 0 · ( -5 ) - 12 · 0 12 · 15 - ( -16 ) · ( -5 ) ) = ( 0+0 0+0 180 -80 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 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(2|16|-11), B(-6|-8|1) und C(-8|7|-3).

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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 -8-16 1-( - 11 ) ) = ( -8 -24 12 ) und AC = ( -8-2 7-16 -3-( - 11 ) ) = ( -10 -9 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 12 ) × ( -10 -9 8 ) = ( -24 · 8 - 12 · ( -9 ) 12 · ( -10 ) - ( -8 ) · 8 -8 · ( -9 ) - ( -24 ) · ( -10 ) ) = ( -192 +108 -120 +64 72 -240 ) = ( -84 -56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -56 -168 ) | = (-84) 2 + (-56)2 + (-168) 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(-4|-4|-2), B(-16|0|-20), C(-4|18|-24) und D(8|14|-6) und als Spitze S(23|-13|-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 = ( -16-( - 4 ) 0-( - 4 ) -20-( - 2 ) ) = ( -12 4 -18 ) und AD = BC = ( -4-( - 16 ) 18-0 -24-( - 20 ) ) = ( 12 18 -4 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 -264 ) | = 308 2 + (-264)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.

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 -4 -2 ) + r ( -12 4 -18 ) + s ( 12 18 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 7 -6 -6 ) orthogonal zu ( -12 4 -18 ) und ( 12 18 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 -4 -2 ) ] ( 7 -6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-4|-2) erhält man
d = 7(-4) + (-6)(-4) + (-6)(-2)
also:

7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 8

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 23-6 ( - 13 )-6 ( - 22 )-8 | 7 2 + ( - 6 ) 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(2|2|-2), B(-14|14|-2), C(-12|25|-2) und als Spitze S(1|9|1).
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 = ( -14-2 14-2 -2-( - 2 ) ) = ( -16 12 0 ) und AC = ( -12-2 25-2 -2-( - 2 ) ) = ( -14 23 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 12 0 ) × ( -14 23 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 23 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 23 - 12 · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 -368 +168 ) = ( 0 0 -200 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -200 ) | = 0 2 + 02 + (-200) 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 2 -2 ) + r ( -16 12 0 ) + s ( -14 23 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -16 12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 -16 t ) für jedes t orthogonal zu ( -16 12 0 ) , denn ( -16 12 0 ) ( -12 -16 t ) =(-16)(-12) + 12(-16) + 0t = 192-192+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 23 0 ) ( -12 -16 t ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -12 -16 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -16 12 0 ) × ( -14 23 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 23 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 -16 · 23 - 12 · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 -368 +168 ) = ( 0 0 -200 )

= -200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -16 12 0 ) und ( -14 23 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 2 -2 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|2|-2) erhält man
d = 02 + 02 + 1(-2)
also:

+ 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 = | 0 1+0 9+1 1+2 | 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-2|-8), der Punkt C(4|5|-7) und die Gerade g: x = ( 4 -2 -8 ) +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 = 50 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 = ( 4-4 5-( - 2 ) -7-( - 8 ) ) = ( 0 7 1 ) .

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 7 1 ) = ( 3 t · 1 - 4 t · 7 4 t · 0 - 0 · 1 0 · 7 - 3 t · 0 ) = ( 3 t -28 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 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +0 t | -2 +3 t | -8 +4 t ) ergibt
B1(4|10|8).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +0 t | -2 +3 t | -8 +4 t ) ergibt
B2(4|-14|-24).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 1 x +5 0 +1 0 = 15 => x=15=15, also S1(15|0|0)
S2: 1 0 +5 y +1 0 = 15 => y= 15 5 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 0 +5 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 ⋅ 15⋅3 = 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: 4 x 1 +3 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 96. 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 +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 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +4 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 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 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 96 |⋅24
d 2 = 2304 | 2
d1 = - 2304 = -48
d2 = 2304 = 48

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 48

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -48 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 48 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 +2 x 2 +5 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 +2 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 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 )

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 2 , 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 2 d 2 d 5 = 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 +2 x 2 +5 x 3 = 30

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

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