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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|4|4), B(7|-12|-28) und C(11|8|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 = ( 3 4 4 ) + ( 4 20 31 ) = ( 7 24 35 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(7|24|35).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 7-3 -12-4 -28-4 ) = ( 4 -16 -32 ) und AD = BC = ( 11-7 8-( - 12 ) 3-( - 28 ) ) = ( 4 20 31 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 -32 ) × ( 4 20 31 ) = ( -16 · 31 - ( -32 ) · 20 -32 · 4 - 4 · 31 4 · 20 - ( -16 ) · 4 ) = ( -496 +640 -128 -124 80 +64 ) = ( 144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -252 144 ) | = 144 2 + (-252)2 + 144 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(3|8|-2), B(3|24|10) und C(3|1|-1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 3-3 24-8 10-( - 2 ) ) = ( 0 16 12 ) und AC = ( 3-3 1-8 -1-( - 2 ) ) = ( 0 -7 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 16 12 ) × ( 0 -7 1 ) = ( 16 · 1 - 12 · ( -7 ) 12 · 0 - 0 · 1 0 · ( -7 ) - 16 · 0 ) = ( 16 +84 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 100 0 0 ) | = 100 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(1|0|-9), B(1|-12|7), C(1|-23|5) und D(1|-11|-11) und als Spitze S(4|-7|-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 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 = ( 1-1 -12-0 7-( - 9 ) ) = ( 0 -12 16 ) und AD = BC = ( 1-1 -23-( - 12 ) 5-7 ) = ( 0 -11 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 16 ) × ( 0 -11 -2 ) = ( -12 · ( -2 ) - 16 · ( -11 ) 16 · 0 - 0 · ( -2 ) 0 · ( -11 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 24 +176 0+0 0+0 ) = ( 200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 200 0 0 ) | = 200 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 200.

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 = ( 1 0 -9 ) + r ( 0 -12 16 ) + s ( 0 -11 -2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -12 16 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -16 -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -12 16 ) , denn ( 0 -12 16 ) ( t -16 -12 ) =0t + (-12)(-16) + 16(-12) = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -11 -2 ) ( t -16 -12 ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -12 16 ) × ( 0 -11 -2 ) = ( -12 · ( -2 ) - 16 · ( -11 ) 16 · 0 - 0 · ( -2 ) 0 · ( -11 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 24 +176 0+0 0+0 ) = ( 200 0 0 )

= 200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -12 16 ) und ( 0 -11 -2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 0 -9 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|0|-9) erhält man
d = 11 + 00 + 0(-9)
also:

x 1 = 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 = | 1 4+0 ( - 7 )+0 ( - 8 )-1 | 1 2 + 0 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-3|4), B(-3|9|10), C(-15|3|14) und als Spitze S(4|-12|24).
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 = ( -3-1 9-( - 3 ) 10-4 ) = ( -4 12 6 ) und AC = ( -15-1 3-( - 3 ) 14-4 ) = ( -16 6 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 12 6 ) × ( -16 6 10 ) = ( 12 · 10 - 6 · 6 6 · ( -16 ) - ( -4 ) · 10 -4 · 6 - 12 · ( -16 ) ) = ( 120 -36 -96 +40 -24 +192 ) = ( 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.

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 = ( 1 -3 4 ) + r ( -4 12 6 ) + s ( -16 6 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -4 12 6 ) × ( -16 6 10 ) = ( 12 · 10 - 6 · 6 6 · ( -16 ) - ( -4 ) · 10 -4 · 6 - 12 · ( -16 ) ) = ( 120 -36 -96 +40 -24 +192 ) = ( 84 -56 168 ) = 28⋅ ( 3 -2 6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 6 ) orthogonal zu ( -4 12 6 ) und ( -16 6 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -3 4 ) ] ( 3 -2 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 -2 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|-3|4) erhält man
d = 31 + (-2)(-3) + 64
also:

3 x 1 -2 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 = | 3 4-2 ( - 12 )+6 24-33 | 3 2 + ( - 2 ) 2 + 6 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 · 98 · 21 = 686

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|13|5), der Punkt C(-7|-2|-7) und die Gerade g: x = ( 4 13 5 ) +t ( -3 -6 -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 = 122,5 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 ( -3 t -6 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -7-4 -2-13 -7-5 ) = ( -11 -15 -12 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t -6 t -2 t ) × ( -11 -15 -12 ) = ( -6 t · ( -12 ) - ( -2 t ) · ( -15 ) -2 t · ( -11 ) - ( -3 t ) · ( -12 ) -3 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · ( -11 ) ) = ( 72 t -30 t 22 t -36 t 45 t -66 t ) = ( 42 t -14 t -21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 42 t -14 t -21 t ) | = 1764 t 2 +196 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 122,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 122,5 |⋅2

| 49t | = 245

1. Fall

49t = 245 |: 49

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -3 t | 13 -6 t | 5 -2 t ) ergibt
B1(-11|-17|-5).

2. Fall

- 49t = 245 |: -49

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -3 t | 13 -6 t | 5 -2 t ) ergibt
B2(19|43|15).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 .

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 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 ein.

S1: 2 x +4 0 +5 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +4 y +5 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 2 0 +4 0 +5 z = 60 => z= 60 5 =12, also S3(0|0|12)

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 ⋅ 30⋅15 = 225, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅225⋅12
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 2. 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:

5 x 1 + x 2 +5 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 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +1 0 +5 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 5 0 +1 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 5 d 5 = d 2 50

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 50 d 2 = 2 |⋅50
d 2 = 100 | 2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 10

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = -10 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 10 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 +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:

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

S1: 2 x +3 0 +2 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 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 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 2 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 2 = 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: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 12

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

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