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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|4|-4), B(3|0|4) und C(-2|1|-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 = ( -5 4 -4 ) + ( -5 1 -8 ) = ( -10 5 -12 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-10|5|-12).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 3-( - 5 ) 0-4 4-( - 4 ) ) = ( 8 -4 8 ) und AD = BC = ( -2-3 1-0 -4-4 ) = ( -5 1 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -4 8 ) × ( -5 1 -8 ) = ( -4 · ( -8 ) - 8 · 1 8 · ( -5 ) - 8 · ( -8 ) 8 · 1 - ( -4 ) · ( -5 ) ) = ( 32 -8 -40 +64 8 -20 ) = ( 24 24 -12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 -12 ) | = 24 2 + 242 + (-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(1|2|0), B(-7|-10|-24) und C(-5|0|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 = ( -7-1 -10-2 -24-0 ) = ( -8 -12 -24 ) und AC = ( -5-1 0-2 3-0 ) = ( -6 -2 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -12 -24 ) × ( -6 -2 3 ) = ( -12 · 3 - ( -24 ) · ( -2 ) -24 · ( -6 ) - ( -8 ) · 3 -8 · ( -2 ) - ( -12 ) · ( -6 ) ) = ( -36 -48 144 +24 16 -72 ) = ( -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(-7|1|-4), B(11|10|2), C(11|17|16) und D(-7|8|10) und als Spitze S(2|-12|13). 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 = ( 11-( - 7 ) 10-1 2-( - 4 ) ) = ( 18 9 6 ) und AD = BC = ( 11-11 17-10 16-2 ) = ( 0 7 14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 9 6 ) × ( 0 7 14 ) = ( 9 · 14 - 6 · 7 6 · 0 - 18 · 14 18 · 7 - 9 · 0 ) = ( 126 -42 0 -252 126 +0 ) = ( 84 -252 126 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 -252 126 ) | = 84 2 + (-252)2 + 126 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 = ( -7 1 -4 ) + r ( 18 9 6 ) + s ( 0 7 14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 7 14 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -14 7 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 7 14 ) , denn ( 0 7 14 ) ( t -14 7 ) =0t + 7(-14) + 147 = 0-98+98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 18 9 6 ) ( t -14 7 ) = 18⋅t -84 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 14 3 -14 7 ) = 1 3 ( 14 -42 21 ) = 7 3 ( 2 -6 3 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 18 9 6 ) × ( 0 7 14 ) = ( 9 · 14 - 6 · 7 6 · 0 - 18 · 14 18 · 7 - 9 · 0 ) = ( 126 -42 0 -252 126 +0 ) = ( 84 -252 126 )

= 42⋅ ( 2 -6 3 )

Weil der Vektor ( 2 -6 3 ) orthogonal zu ( 18 9 6 ) und ( 0 7 14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -7 1 -4 ) ] ( 2 -6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-7|1|-4) erhält man
d = 2(-7) + (-6)1 + 3(-4)
also:

2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = -32

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 = | 2 2-6 ( - 12 )+3 13+32 | 2 2 + ( - 6 ) 2 + 3 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-6|8|-2), B(18|-4|1), C(28|0|18) und als Spitze S(15|29|-5).
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 = ( 18-( - 6 ) -4-8 1-( - 2 ) ) = ( 24 -12 3 ) und AC = ( 28-( - 6 ) 0-8 18-( - 2 ) ) = ( 34 -8 20 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -12 3 ) × ( 34 -8 20 ) = ( -12 · 20 - 3 · ( -8 ) 3 · 34 - 24 · 20 24 · ( -8 ) - ( -12 ) · 34 ) = ( -240 +24 102 -480 -192 +408 ) = ( -216 -378 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 -378 216 ) | = (-216) 2 + (-378)2 + 216 2 = 236196 = 486 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 ⋅ 486 = 243.

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 = ( -6 8 -2 ) + r ( 24 -12 3 ) + s ( 34 -8 20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 -12 3 ) × ( 34 -8 20 ) = ( -12 · 20 - 3 · ( -8 ) 3 · 34 - 24 · 20 24 · ( -8 ) - ( -12 ) · 34 ) = ( -240 +24 102 -480 -192 +408 ) = ( -216 -378 216 ) = -54⋅ ( 4 7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 7 -4 ) orthogonal zu ( 24 -12 3 ) und ( 34 -8 20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -6 8 -2 ) ] ( 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(-6|8|-2) erhält man
d = 4(-6) + 78 + (-4)(-2)
also:

4 x 1 +7 x 2 -4 x 3 = 40

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 15+7 29-4 ( - 5 )-40 | 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 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-9|23|5), der Punkt C(-3|3|-8) und die Gerade g: x = ( -9 23 5 ) +t ( 6 -9 -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 = 302,5 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 ( 6 t -9 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 9 ) 3-23 -8-5 ) = ( 6 -20 -13 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t -9 t -2 t ) × ( 6 -20 -13 ) = ( -9 t · ( -13 ) - ( -2 t ) · ( -20 ) -2 t · 6 - 6 t · ( -13 ) 6 t · ( -20 ) - ( -9 t ) · 6 ) = ( 117 t -40 t -12 t +78 t -120 t +54 t ) = ( 77 t 66 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 77 t 66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 302,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 302,5 |⋅2

| 121t | = 605

1. Fall

121t = 605 |: 121

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +6 t | 23 -9 t | 5 -2 t ) ergibt
B1(21|-22|-5).

2. Fall

- 121t = 605 |: -121

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +6 t | 23 -9 t | 5 -2 t ) ergibt
B2(-39|68|15).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 x +5 0 +2 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 0 +5 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 ⋅ 10⋅6 = 30, 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 ⋅30⋅15
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 48. 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 +2 x 2 +3 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 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 48 |⋅12
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 24 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 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 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:

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

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

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 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 3 d 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 96 |⋅144
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.