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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-5|1), B(-6|-9|9) und C(3|-6|-3) 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 -5 1 ) + ( 9 3 -12 ) = ( 11 -2 -11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(11|-2|-11).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 -9-( - 5 ) 9-1 ) = ( -8 -4 8 ) und AD = BC = ( 3-( - 6 ) -6-( - 9 ) -3-9 ) = ( 9 3 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -4 8 ) × ( 9 3 -12 ) = ( -4 · ( -12 ) - 8 · 3 8 · 9 - ( -8 ) · ( -12 ) -8 · 3 - ( -4 ) · 9 ) = ( 48 -24 72 -96 -24 +36 ) = ( 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(-1|4|-1), B(-9|8|7) und C(-1|7|2).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -9-( - 1 ) 8-4 7-( - 1 ) ) = ( -8 4 8 ) und AC = ( -1-( - 1 ) 7-4 2-( - 1 ) ) = ( 0 3 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 4 8 ) × ( 0 3 3 ) = ( 4 · 3 - 8 · 3 8 · 0 - ( -8 ) · 3 -8 · 3 - 4 · 0 ) = ( 12 -24 0 +24 -24 +0 ) = ( -12 24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 24 -24 ) | = (-12) 2 + 242 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-5|2), B(-8|3|2), C(-16|-3|2) und D(-10|-11|2) und als Spitze S(-6|-8|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 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 = ( -8-( - 2 ) 3-( - 5 ) 2-2 ) = ( -6 8 0 ) und AD = BC = ( -16-( - 8 ) -3-3 2-2 ) = ( -8 -6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 8 0 ) × ( -8 -6 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -8 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -6 ) - 8 · ( -8 ) ) = ( 0+0 0+0 36 +64 ) = ( 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.

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 = ( -2 -5 2 ) + r ( -6 8 0 ) + s ( -8 -6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -6 8 0 ) × ( -8 -6 0 ) = ( 8 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -8 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -6 ) - 8 · ( -8 ) ) = ( 0+0 0+0 36 +64 ) = ( 0 0 100 )

= 100⋅ ( 0 0 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-5|2) erhält man
d = 0(-2) + 0(-5) + 12
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 ( - 6 )+0 ( - 8 )+1 5-2 | 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

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|1|-7), B(-22|-17|-1), C(-35|-11|19) und als Spitze S(-24|22|-14).
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 = ( -22-5 -17-1 -1-( - 7 ) ) = ( -27 -18 6 ) und AC = ( -35-5 -11-1 19-( - 7 ) ) = ( -40 -12 26 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 -18 6 ) × ( -40 -12 26 ) = ( -18 · 26 - 6 · ( -12 ) 6 · ( -40 ) - ( -27 ) · 26 -27 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -40 ) ) = ( -468 +72 -240 +702 324 -720 ) = ( -396 462 -396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 462 -396 ) | = (-396) 2 + 4622 + (-396) 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 -7 ) + r ( -27 -18 6 ) + s ( -40 -12 26 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 -18 6 ) × ( -40 -12 26 ) = ( -18 · 26 - 6 · ( -12 ) 6 · ( -40 ) - ( -27 ) · 26 -27 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -40 ) ) = ( -468 +72 -240 +702 324 -720 ) = ( -396 462 -396 ) = 66⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( -27 -18 6 ) und ( -40 -12 26 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 1 -7 ) ] ( -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(5|1|-7) erhält man
d = (-6)5 + 71 + (-6)(-7)
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = 19

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 ( - 24 )+7 22-6 ( - 14 )-19 | ( - 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

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

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -21 t 14 t 42 t ) | = 441 t 2 +196 t 2 +1764 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 ( 4 -2 t | -2 +6 t | 7 -3 t ) ergibt
B1(0|10|1).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | -2 +6 t | 7 -3 t ) ergibt
B2(8|-14|13).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 12 .

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 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 12 ein.

S1: 4 x +2 0 +2 0 = 12 => x= 6 4 =1.5, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +2 y +2 0 = 12 => y= 6 2 =3, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +2 0 +2 z = 12 => z= 6 2 =3, also S3(0|0|6)

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⋅6 = 9, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 +3 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 6. 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 +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 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 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 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 = 6 |⋅24
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 24. 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 + 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 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +1 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 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 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 1 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 1 = d 3 72

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 72 d 3 = 24 |⋅72
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 + x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

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