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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(1|7|-1), B(-7|19|-25) und C(-3|6|8) 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 = ( 1 7 -1 ) + ( 4 -13 33 ) = ( 5 -6 32 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|-6|32).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -7-1 19-7 -25-( - 1 ) ) = ( -8 12 -24 ) und AD = BC = ( -3-( - 7 ) 6-19 8-( - 25 ) ) = ( 4 -13 33 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 12 -24 ) × ( 4 -13 33 ) = ( 12 · 33 - ( -24 ) · ( -13 ) -24 · 4 - ( -8 ) · 33 -8 · ( -13 ) - 12 · 4 ) = ( 396 -312 -96 +264 104 -48 ) = ( 84 168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 168 56 ) | = 84 2 + 1682 + 56 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|3|4), B(-11|3|20) und C(0|3|-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 = ( -11-1 3-3 20-4 ) = ( -12 0 16 ) und AC = ( 0-1 3-3 -3-4 ) = ( -1 0 -7 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 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(-5|-13|3), B(7|11|0), C(3|21|-17) und D(-9|-3|-14) und als Spitze S(-26|8|6). 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 = ( 7-( - 5 ) 11-( - 13 ) 0-3 ) = ( 12 24 -3 ) und AD = BC = ( 3-7 21-11 -17-0 ) = ( -4 10 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 24 -3 ) × ( -4 10 -17 ) = ( 24 · ( -17 ) - ( -3 ) · 10 -3 · ( -4 ) - 12 · ( -17 ) 12 · 10 - 24 · ( -4 ) ) = ( -408 +30 12 +204 120 +96 ) = ( -378 216 216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -378 216 216 ) | = (-378) 2 + 2162 + 216 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( -5 -13 3 ) + r ( 12 24 -3 ) + s ( -4 10 -17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 12 24 -3 ) × ( -4 10 -17 ) = ( 24 · ( -17 ) - ( -3 ) · 10 -3 · ( -4 ) - 12 · ( -17 ) 12 · 10 - 24 · ( -4 ) ) = ( -408 +30 12 +204 120 +96 ) = ( -378 216 216 ) = 54⋅ ( -7 4 4 )

Weil der Vektor ( -7 4 4 ) orthogonal zu ( 12 24 -3 ) und ( -4 10 -17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -13 3 ) ] ( -7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-13|3) erhält man
d = (-7)(-5) + 4(-13) + 43
also:

-7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -5

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 = | -7 ( - 26 )+4 8+4 6+5 | ( - 7 ) 2 + 4 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|3|-2), B(-1|-9|16), C(17|3|20) und als Spitze S(-14|30|18).
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 = ( -1-( - 5 ) -9-3 16-( - 2 ) ) = ( 4 -12 18 ) und AC = ( 17-( - 5 ) 3-3 20-( - 2 ) ) = ( 22 0 22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -12 18 ) × ( 22 0 22 ) = ( -12 · 22 - 18 · 0 18 · 22 - 4 · 22 4 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( -264 +0 396 -88 0 +264 ) = ( -264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 308 264 ) | = (-264) 2 + 3082 + 264 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

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 3 -2 ) + r ( 4 -12 18 ) + s ( 22 0 22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 22 0 22 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 22 t -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 22 0 22 ) , denn ( 22 0 22 ) ( 22 t -22 ) =2222 + 0t + 22(-22) = 484+0-484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 -12 18 ) ( 22 t -22 ) = -12⋅t -308 = 0 wird, also t= - 77 3 = - 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 22 - 77 3 -22 ) = 1 3 ( 66 -77 -66 ) = -11 3 ( -6 7 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 4 -12 18 ) × ( 22 0 22 ) = ( -12 · 22 - 18 · 0 18 · 22 - 4 · 22 4 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( -264 +0 396 -88 0 +264 ) = ( -264 308 264 )

= 44⋅ ( -6 7 6 )

Weil der Vektor ( -6 7 6 ) orthogonal zu ( 4 -12 18 ) und ( 22 0 22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 3 -2 ) ] ( -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|3|-2) erhält man
d = (-6)(-5) + 73 + 6(-2)
also:

-6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = 39

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 ( - 14 )+7 30+6 18-39 | ( - 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|-2|0), der Punkt C(-6|3|-2) und die Gerade g: x = ( -2 -2 0 ) +t ( -1 2 -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 = 13,5 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 ( -1 t 2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 2 ) 3-( - 2 ) -2-0 ) = ( -4 5 -2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t 2 t -2 t ) × ( -4 5 -2 ) = ( 2 t · ( -2 ) - ( -2 t ) · 5 -2 t · ( -4 ) - ( - t ) · ( -2 ) - t · 5 - 2 t · ( -4 ) ) = ( -4 t +10 t 8 t -2 t -5 t +8 t ) = ( 6 t 6 t 3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t 6 t 3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -1 t | -2 +2 t | 0 -2 t ) ergibt
B1(-5|4|-6).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -1 t | -2 +2 t | 0 -2 t ) ergibt
B2(1|-8|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 5 x +2 0 +2 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +2 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +2 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 ⋅ 6⋅15 = 45, 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 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 +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 192. 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 +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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 192 |⋅12
d 2 = 2304 | 2
d1 = - 2304 = -48
d2 = 2304 = 48

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 48

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -48 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-24). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 48 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.