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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-11|3|10), B(5|3|-2) und C(-2|3|-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 = ( -11 3 10 ) + ( -7 0 -1 ) = ( -18 3 9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-18|3|9).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 11 ) 3-3 -2-10 ) = ( 16 0 -12 ) und AD = BC = ( -2-5 3-3 -3-( - 2 ) ) = ( -7 0 -1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 0 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(-4|-2|-1), B(-12|10|23) und C(-10|0|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -12-( - 4 ) 10-( - 2 ) 23-( - 1 ) ) = ( -8 12 24 ) und AC = ( -10-( - 4 ) 0-( - 2 ) -4-( - 1 ) ) = ( -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 + (-168)2 + 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(1|9|-5), B(1|-7|7), C(1|-5|18) und D(1|11|6) und als Spitze S(4|8|2). 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 -7-9 7-( - 5 ) ) = ( 0 -16 12 ) und AD = BC = ( 1-1 -5-( - 7 ) 18-7 ) = ( 0 2 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 2 11 ) = ( -16 · 11 - 12 · 2 12 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -16 ) · 0 ) = ( -176 -24 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 9 -5 ) + r ( 0 -16 12 ) + s ( 0 2 11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -16 12 ) und ( 0 2 11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 9 -5 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|9|-5) erhält man
d = 11 + 09 + 0(-5)
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 8+0 2-1 | 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(-3|2|3), B(21|14|11), C(21|21|25) und als Spitze S(6|-11|20).
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 = ( 21-( - 3 ) 14-2 11-3 ) = ( 24 12 8 ) und AC = ( 21-( - 3 ) 21-2 25-3 ) = ( 24 19 22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 12 8 ) × ( 24 19 22 ) = ( 12 · 22 - 8 · 19 8 · 24 - 24 · 22 24 · 19 - 12 · 24 ) = ( 264 -152 192 -528 456 -288 ) = ( 112 -336 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 112 -336 168 ) | = 112 2 + (-336)2 + 168 2 = 153664 = 392 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 ⋅ 392 = 196.

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 = ( -3 2 3 ) + r ( 24 12 8 ) + s ( 24 19 22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 12 8 ) × ( 24 19 22 ) = ( 12 · 22 - 8 · 19 8 · 24 - 24 · 22 24 · 19 - 12 · 24 ) = ( 264 -152 192 -528 456 -288 ) = ( 112 -336 168 ) = 56⋅ ( 2 -6 3 )

Weil der Vektor ( 2 -6 3 ) orthogonal zu ( 24 12 8 ) und ( 24 19 22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 2 3 ) ] ( 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(-3|2|3) erhält man
d = 2(-3) + (-6)2 + 33
also:

2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = -9

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 6-6 ( - 11 )+3 20+9 | 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 · 196 · 21 = 1372

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-7|-4|3), der Punkt C(2|-4|12) und die Gerade g: x = ( -7 -4 3 ) +t ( 8 4 1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121,5 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 ( 8 t 4 t t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 2-( - 7 ) -4-( - 4 ) 12-3 ) = ( 9 0 9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 t 4 t t ) × ( 9 0 9 ) = ( 4 t · 9 - t · 0 t · 9 - 8 t · 9 8 t · 0 - 4 t · 9 ) = ( 36 t +0 9 t -72 t 0 -36 t ) = ( 36 t -63 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 36 t -63 t -36 t ) | = 1296 t 2 +3969 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +8 t | -4 +4 t | 3 +1 t ) ergibt
B1(17|8|6).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +8 t | -4 +4 t | 3 +1 t ) ergibt
B2(-31|-16|0).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +4 0 +5 0 = 60 => x= 60 4 =15, also S1(15|0|0)
S2: 4 0 +4 y +5 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 4 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 ⋅ 15⋅15 = 112.5, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅112.5⋅12
=450

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +4 x 2 + 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 18. 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 +4 x 2 + 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 3 x 1 +4 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 d 1 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 18 |⋅8
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 18. 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 + 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 x 1 + x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 3 = 18 |⋅12
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +2 x 3 = 6

Aber auch E2: x 1 + x 2 +2 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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