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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|-21|8), B(-3|11|-8) und C(4|4|0) 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 = ( -7 -21 8 ) + ( 7 -7 8 ) = ( 0 -28 16 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|-28|16).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -3-( - 7 ) 11-( - 21 ) -8-8 ) = ( 4 32 -16 ) und AD = BC = ( 4-( - 3 ) 4-11 0-( - 8 ) ) = ( 7 -7 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 32 -16 ) × ( 7 -7 8 ) = ( 32 · 8 - ( -16 ) · ( -7 ) -16 · 7 - 4 · 8 4 · ( -7 ) - 32 · 7 ) = ( 256 -112 -112 -32 -28 -224 ) = ( 144 -144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 -144 -252 ) | = 144 2 + (-144)2 + (-252) 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(0|2|2), B(16|2|14) und C(-7|2|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 = ( 16-0 2-2 14-2 ) = ( 16 0 12 ) und AC = ( -7-0 2-2 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 + (-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(-7|-2|11), B(2|4|-7), C(9|18|-7) und D(0|12|11) und als Spitze S(-20|15|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 = ( 2-( - 7 ) 4-( - 2 ) -7-11 ) = ( 9 6 -18 ) und AD = BC = ( 9-2 18-4 -7-( - 7 ) ) = ( 7 14 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 6 -18 ) × ( 7 14 0 ) = ( 6 · 0 - ( -18 ) · 14 -18 · 7 - 9 · 0 9 · 14 - 6 · 7 ) = ( 0 +252 -126 +0 126 -42 ) = ( 252 -126 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -126 84 ) | = 252 2 + (-126)2 + 84 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 = ( -7 -2 11 ) + r ( 9 6 -18 ) + s ( 7 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 14 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -14 7 t ) für jedes t orthogonal zu ( 7 14 0 ) , denn ( 7 14 0 ) ( -14 7 t ) =7(-14) + 147 + 0t = -98+98+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 9 6 -18 ) ( -14 7 t ) = -18⋅t -84 = 0 wird, also t= - 14 3 = - 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -14 7 - 14 3 ) = 1 3 ( -42 21 -14 ) = 7 3 ( -6 3 -2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 6 -18 ) × ( 7 14 0 ) = ( 6 · 0 - ( -18 ) · 14 -18 · 7 - 9 · 0 9 · 14 - 6 · 7 ) = ( 0 +252 -126 +0 126 -42 ) = ( 252 -126 84 )

= -42⋅ ( -6 3 -2 )

Weil der Vektor ( -6 3 -2 ) orthogonal zu ( 9 6 -18 ) und ( 7 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -7 -2 11 ) ] ( -6 3 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-7|-2|11) erhält man
d = (-6)(-7) + 3(-2) + (-2)11
also:

-6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = 14

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 ( - 20 )+3 15-2 2-14 | ( - 6 ) 2 + 3 2 + ( - 2 ) 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-4|-3), B(1|2|5), C(1|10|-1) und als Spitze S(4|0|-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 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 = ( 1-1 2-( - 4 ) 5-( - 3 ) ) = ( 0 6 8 ) und AC = ( 1-1 10-( - 4 ) -1-( - 3 ) ) = ( 0 14 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 6 8 ) × ( 0 14 2 ) = ( 6 · 2 - 8 · 14 8 · 0 - 0 · 2 0 · 14 - 6 · 0 ) = ( 12 -112 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.

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 -4 -3 ) + r ( 0 6 8 ) + s ( 0 14 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 6 8 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -8 6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 6 8 ) , denn ( 0 6 8 ) ( t -8 6 ) =0t + 6(-8) + 86 = 0-48+48=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 14 2 ) ( t -8 6 ) = 0⋅t -100 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 -8 6 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 6 8 ) × ( 0 14 2 ) = ( 6 · 2 - 8 · 14 8 · 0 - 0 · 2 0 · 14 - 6 · 0 ) = ( 12 -112 0+0 0+0 ) = ( -100 0 0 )

= -100⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 6 8 ) und ( 0 14 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -4 -3 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|-4|-3) erhält man
d = 11 + 0(-4) + 0(-3)
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 0+0 ( - 6 )-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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|14|13), der Punkt C(13|-3|9) und die Gerade g: x = ( 3 14 13 ) +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 = 162 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 ( t -8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 13-3 -3-14 9-13 ) = ( 10 -17 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -8 t -4 t ) × ( 10 -17 -4 ) = ( -8 t · ( -4 ) - ( -4 t ) · ( -17 ) -4 t · 10 - t · ( -4 ) t · ( -17 ) - ( -8 t ) · 10 ) = ( 32 t -68 t -40 t +4 t -17 t +80 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 162 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 162 |⋅2

| 81t | = 324

1. Fall

81t = 324 |: 81

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +1 t | 14 -8 t | 13 -4 t ) ergibt
B1(7|-18|-3).

2. Fall

- 81t = 324 |: -81

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 +1 t | 14 -8 t | 13 -4 t ) ergibt
B2(-1|46|29).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 + x 2 +3 x 3 = 6 .

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 + x 2 +3 x 3 = 6 ein.

S1: 2 x +1 0 +3 0 = 6 => x= 6 2 =3, also S1(3|0|0)
S2: 2 0 +1 y +3 0 = 6 => y=6=6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +1 0 +3 z = 6 => z= 6 3 =2, also S3(0|0|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 ⋅ 3⋅6 = 9, 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= 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅2
=6

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +3 x 2 +2 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 120. 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 +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 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 3 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 120 |⋅30
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 60 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 +4 x 2 +5 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:

2 x 1 +4 x 2 +5 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 +4 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +4 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +5 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 0 +4 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 4 , 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 4 d 5 = 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: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60

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

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