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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|-6|5), B(-5|30|-19) und C(-8|5|5) 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 -6 5 ) + ( -3 -25 24 ) = ( 0 -31 29 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|-31|29).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -5-3 30-( - 6 ) -19-5 ) = ( -8 36 -24 ) und AD = BC = ( -8-( - 5 ) 5-30 5-( - 19 ) ) = ( -3 -25 24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 36 -24 ) × ( -3 -25 24 ) = ( 36 · 24 - ( -24 ) · ( -25 ) -24 · ( -3 ) - ( -8 ) · 24 -8 · ( -25 ) - 36 · ( -3 ) ) = ( 864 -600 72 +192 200 +108 ) = ( 264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 308 ) | = 264 2 + 2642 + 308 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(2|2|0), B(34|-2|16) und C(3|-6|-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 = ( 34-2 -2-2 16-0 ) = ( 32 -4 16 ) und AC = ( 3-2 -6-2 -4-0 ) = ( 1 -8 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 -4 16 ) × ( 1 -8 -4 ) = ( -4 · ( -4 ) - 16 · ( -8 ) 16 · 1 - 32 · ( -4 ) 32 · ( -8 ) - ( -4 ) · 1 ) = ( 16 +128 16 +128 -256 +4 ) = ( 144 144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 144 -252 ) | = 144 2 + 1442 + (-252) 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(8|4|3), B(-4|4|-6), C(-2|4|-17) und D(10|4|-8) und als Spitze S(7|7|-4). 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 = ( -4-8 4-4 -6-3 ) = ( -12 0 -9 ) und AD = BC = ( -2-( - 4 ) 4-4 -17-( - 6 ) ) = ( 2 0 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 0 -9 ) × ( 2 0 -11 ) = ( 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 ) = ( 0+0 -18 -132 0+0 ) = ( 0 -150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -150 0 ) | = 0 2 + (-150)2 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 = ( 8 4 3 ) + r ( -12 0 -9 ) + s ( 2 0 -11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 0 -9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 t 12 ) für jedes t orthogonal zu ( -12 0 -9 ) , denn ( -12 0 -9 ) ( -9 t 12 ) =(-12)(-9) + 0t + (-9)12 = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 2 0 -11 ) ( -9 t 12 ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -9 1 0 12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 0 -9 ) × ( 2 0 -11 ) = ( 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 ) = ( 0+0 -18 -132 0+0 ) = ( 0 -150 0 )

= -150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -12 0 -9 ) und ( 2 0 -11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 8 4 3 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(8|4|3) erhält man
d = 08 + 14 + 03
also:

+ x 2 = 4

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 7+1 7+0 ( - 4 )-4 | 0 2 + 1 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|-2|-4), B(4|1|2), C(2|6|6) und als Spitze S(1|7|-7).
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 = ( 4-( - 2 ) 1-( - 2 ) 2-( - 4 ) ) = ( 6 3 6 ) und AC = ( 2-( - 2 ) 6-( - 2 ) 6-( - 4 ) ) = ( 4 8 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 3 6 ) × ( 4 8 10 ) = ( 3 · 10 - 6 · 8 6 · 4 - 6 · 10 6 · 8 - 3 · 4 ) = ( 30 -48 24 -60 48 -12 ) = ( -18 -36 36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -18 -36 36 ) | = (-18) 2 + (-36)2 + 36 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 -4 ) + r ( 6 3 6 ) + s ( 4 8 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 3 6 ) × ( 4 8 10 ) = ( 3 · 10 - 6 · 8 6 · 4 - 6 · 10 6 · 8 - 3 · 4 ) = ( 30 -48 24 -60 48 -12 ) = ( -18 -36 36 ) = -18⋅ ( 1 2 -2 )

Weil der Vektor ( 1 2 -2 ) orthogonal zu ( 6 3 6 ) und ( 4 8 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -2 -4 ) ] ( 1 2 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 +2 x 2 -2 x 3 = d

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

x 1 +2 x 2 -2 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 = | 1 1+2 7-2 ( - 7 )-2 | 1 2 + 2 2 + ( - 2 ) 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|-3|-13), der Punkt C(-4|7|-8) und die Gerade g: x = ( -4 -3 -13 ) +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 = 62,5 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 ( 0 t 3 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -4-( - 4 ) 7-( - 3 ) -8-( - 13 ) ) = ( 0 10 5 ) .

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 10 5 ) = ( 3 t · 5 - 4 t · 10 4 t · 0 - 0 · 5 0 · 10 - 3 t · 0 ) = ( 15 t -40 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 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | -3 +3 t | -13 +4 t ) ergibt
B1(-4|12|7).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +0 t | -3 +3 t | -13 +4 t ) ergibt
B2(-4|-18|-33).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 9 .

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 +3 x 2 +3 x 3 = 9 ein.

S1: 3 x +3 0 +3 0 = 9 => x= 3 3 =1, also S1(3|0|0)
S2: 3 0 +3 y +3 0 = 9 => y= 3 3 =1, also S2(0|3|0)
S3: 3 0 +3 0 +3 z = 9 => z= 3 3 =1, also S3(0|0|3)

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⋅3 = 4.5, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +3 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 270. 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 +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 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +2 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 5 d 3 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 270 |⋅30
d 2 = 8100 | 2
d1 = - 8100 = -90
d2 = 8100 = 90

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 90

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -90 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-45|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 90 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +2 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 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +2 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 0 +2 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 5 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 2 d 4 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 60

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.