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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(4|-1|5), B(16|7|29) und C(6|5|2) 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 = ( 4 -1 5 ) + ( -10 -2 -27 ) = ( -6 -3 -22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-6|-3|-22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 16-4 7-( - 1 ) 29-5 ) = ( 12 8 24 ) und AD = BC = ( 6-16 5-7 2-29 ) = ( -10 -2 -27 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 24 ) × ( -10 -2 -27 ) = ( 8 · ( -27 ) - 24 · ( -2 ) 24 · ( -10 ) - 12 · ( -27 ) 12 · ( -2 ) - 8 · ( -10 ) ) = ( -216 +48 -240 +324 -24 +80 ) = ( -168 84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 84 56 ) | = (-168) 2 + 842 + 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(7|-9|-1), B(15|-45|-25) und C(14|-2|11).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 15-7 -45-( - 9 ) -25-( - 1 ) ) = ( 8 -36 -24 ) und AC = ( 14-7 -2-( - 9 ) 11-( - 1 ) ) = ( 7 7 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -36 -24 ) × ( 7 7 12 ) = ( -36 · 12 - ( -24 ) · 7 -24 · 7 - 8 · 12 8 · 7 - ( -36 ) · 7 ) = ( -432 +168 -168 -96 56 +252 ) = ( -264 -264 308 ) .

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

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(0|-5|-3), B(3|1|3), C(7|3|-1) und D(4|-3|-7) und als Spitze S(8|-10|-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 = ( 3-0 1-( - 5 ) 3-( - 3 ) ) = ( 3 6 6 ) und AD = BC = ( 7-3 3-1 -1-3 ) = ( 4 2 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 6 6 ) × ( 4 2 -4 ) = ( 6 · ( -4 ) - 6 · 2 6 · 4 - 3 · ( -4 ) 3 · 2 - 6 · 4 ) = ( -24 -12 24 +12 6 -24 ) = ( -36 36 -18 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -36 36 -18 ) | = (-36) 2 + 362 + (-18) 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 54.

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 = ( 0 -5 -3 ) + r ( 3 6 6 ) + s ( 4 2 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 2 -2 1 ) orthogonal zu ( 3 6 6 ) und ( 4 2 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -5 -3 ) ] ( 2 -2 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -2 x 2 + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-5|-3) erhält man
d = 20 + (-2)(-5) + 1(-3)
also:

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

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 8-2 ( - 10 )+1 ( - 2 )-7 | 2 2 + ( - 2 ) 2 + 1 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 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|0|-4), B(-11|0|8), C(-9|0|19) und als Spitze S(4|3|3).
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 = ( -11-5 0-0 8-( - 4 ) ) = ( -16 0 12 ) und AC = ( -9-5 0-0 19-( - 4 ) ) = ( -14 0 23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 0 12 ) × ( -14 0 23 ) = ( 0 · 23 - 12 · 0 12 · ( -14 ) - ( -16 ) · 23 -16 · 0 - 0 · ( -14 ) ) = ( 0+0 -168 +368 0+0 ) = ( 0 200 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 200 0 ) | = 0 2 + 2002 + 0 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 0 -4 ) + r ( -16 0 12 ) + s ( -14 0 23 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -16 0 12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 t 16 ) für jedes t orthogonal zu ( -16 0 12 ) , denn ( -16 0 12 ) ( 12 t 16 ) =(-16)12 + 0t + 1216 = -192+0+192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 0 23 ) ( 12 t 16 ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -16 0 12 ) × ( -14 0 23 ) = ( 0 · 23 - 12 · 0 12 · ( -14 ) - ( -16 ) · 23 -16 · 0 - 0 · ( -14 ) ) = ( 0+0 -168 +368 0+0 ) = ( 0 200 0 )

= 200⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -16 0 12 ) und ( -14 0 23 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 0 -4 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|0|-4) erhält man
d = 05 + 10 + 0(-4)
also:

+ x 2 = 0

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 4+1 3+0 3-0 | 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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(6|29|15), der Punkt C(-5|4|7) und die Gerade g: x = ( 6 29 15 ) +t ( -1 -8 -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 = 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 ( -1 t -8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -5-6 4-29 7-15 ) = ( -11 -25 -8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t -8 t -4 t ) × ( -11 -25 -8 ) = ( -8 t · ( -8 ) - ( -4 t ) · ( -25 ) -4 t · ( -11 ) - ( - t ) · ( -8 ) - t · ( -25 ) - ( -8 t ) · ( -11 ) ) = ( 64 t -100 t 44 t -8 t 25 t -88 t ) = ( -36 t 36 t -63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t 36 t -63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 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 ( 6 -1 t | 29 -8 t | 15 -4 t ) ergibt
B1(3|5|3).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 6 -1 t | 29 -8 t | 15 -4 t ) ergibt
B2(9|53|27).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 36 .

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 +2 x 2 +4 x 3 = 36 ein.

S1: 3 x +2 0 +4 0 = 36 => x= 36 3 =12, also S1(12|0|0)
S2: 3 0 +2 y +4 0 = 36 => y= 36 2 =18, also S2(0|18|0)
S3: 3 0 +2 0 +4 z = 36 => z= 36 4 =9, also S3(0|0|9)

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 ⋅ 12⋅18 = 108, 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅108⋅9
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +5 x 2 +4 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 8. 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 +5 x 2 +4 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +5 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 0 +5 0 +4 z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

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 5 d 5 = d 2 50

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 50 d 2 = 8 |⋅50
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-5). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 20 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 +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 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:

2 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 2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +2 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 2 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 2 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 2 d 2 d 4 = d 3 96

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 96 d 3 = 18 |⋅96
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -12 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: 2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.