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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(7|8|1), B(-17|-4|9) und C(4|3|9) 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 8 1 ) + ( 21 7 0 ) = ( 28 15 1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(28|15|1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -17-7 -4-8 9-1 ) = ( -24 -12 8 ) und AD → = BC → = ( 4-( - 17 ) 3-( - 4 ) 9-9 ) = ( 21 7 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -24 -12 8 ) × ( 21 7 0 ) = ( -12 · 0 - 8 · 7 8 · 21 - ( -24 ) · 0 -24 · 7 - ( -12 ) · 21 ) = ( 0 -56 168 +0 -168 +252 ) = ( -56 168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -56 168 84 ) | = (-56) 2 + 1682 + 84 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(0|6|3), B(-8|-2|-1) und C(-3|6|0).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( -8-0 -2-6 -1-3 ) = ( -8 -8 -4 ) und AC → = ( -3-0 6-6 0-3 ) = ( -3 0 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 -8 -4 ) × ( -3 0 -3 ) = ( -8 · ( -3 ) - ( -4 ) · 0 -4 · ( -3 ) - ( -8 ) · ( -3 ) -8 · 0 - ( -8 ) · ( -3 ) ) = ( 24 +0 12 -24 0 -24 ) = ( 24 -12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 24 -12 -24 ) | = 24 2 + (-12)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-5|2|-1), B(-1|-6|-9), C(4|-4|-13) und D(0|4|-5) und als Spitze S(-8|5|-10). 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-( - 5 ) -6-2 -9-( - 1 ) ) = ( 4 -8 -8 ) und AD → = BC → = ( 4-( - 1 ) -4-( - 6 ) -13-( - 9 ) ) = ( 5 2 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 -8 -8 ) × ( 5 2 -4 ) = ( -8 · ( -4 ) - ( -8 ) · 2 -8 · 5 - 4 · ( -4 ) 4 · 2 - ( -8 ) · 5 ) = ( 32 +16 -40 +16 8 +40 ) = ( 48 -24 48 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 48 -24 48 ) | = 48 2 + (-24)2 + 48 2 = 5184 = 72 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 72.

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 2 -1 ) + r ⋅ ( 4 -8 -8 ) + s ⋅ ( 5 2 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 4 -8 -8 ) × ( 5 2 -4 ) = ( -8 · ( -4 ) - ( -8 ) · 2 -8 · 5 - 4 · ( -4 ) 4 · 2 - ( -8 ) · 5 ) = ( 32 +16 -40 +16 8 +40 ) = ( 48 -24 48 ) = -24⋅ ( -2 1 -2 )

Weil der Vektor ( -2 1 -2 ) orthogonal zu ( 4 -8 -8 ) und ( 5 2 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 2 -1 ) ] ∘ ( -2 1 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -2 x 1 + x 2 -2 x 3 = d

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

-2 x 1 + 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 = | -2 ⋅ ( - 8 )+1 ⋅ 5-2 ⋅ ( - 10 )-14 | ( - 2 ) 2 + 1 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 · 72 · 9 = 216

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|2|-2), B(-3|-6|-8), C(-3|0|-16) und als Spitze S(0|5|-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 → = ( -3-( - 3 ) -6-2 -8-( - 2 ) ) = ( 0 -8 -6 ) und AC → = ( -3-( - 3 ) 0-2 -16-( - 2 ) ) = ( 0 -2 -14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -8 -6 ) × ( 0 -2 -14 ) = ( -8 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -2 ) -6 · 0 - 0 · ( -14 ) 0 · ( -2 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( 112 -12 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 → = ( -3 2 -2 ) + r ⋅ ( 0 -8 -6 ) + s ⋅ ( 0 -2 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

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

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

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

= 100⋅ ( 1 0 0 )

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

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

x 1 = -3

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 ⋅ 0+0 ⋅ 5+0 ⋅ ( - 6 )+3 | 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(0|-4|-2), der Punkt C(-3|-7|-2) und die Gerade g: x → = ( 0 -4 -2 ) +t⋅ ( -2 -1 -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 = 18 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 ( -2 t -1 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -3-0 -7-( - 4 ) -2-( - 2 ) ) = ( -3 -3 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -2 t -1 t -2 t ) × ( -3 -3 0 ) = ( - t · 0 - ( -2 t ) · ( -3 ) -2 t · ( -3 ) - ( -2 t ) · 0 -2 t · ( -3 ) - ( - t ) · ( -3 ) ) = ( 0 -6 t 6 t +0 6 t -3 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 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | -4 -1 t | -2 -2 t ) ergibt
B1(-8|-8|-10).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 -2 t | -4 -1 t | -2 -2 t ) ergibt
B2(8|0|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 18 .

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 +3 x 2 + x 3 = 18 ein.

S1: 2 ⋅ x +3⋅ 0 +1⋅ 0 = 18 => x= 18 2 =9, also S1(9|0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +3⋅ y +1⋅ 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 ⋅ 0 +3⋅ 0 +1⋅ z = 18 => z=18=18, also S3(0|0|18)

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 ⋅ 9⋅6 = 27, 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= 18 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅27⋅18
=162

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +2 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 45. 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 +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 +2 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 ⋅ d 5 ⋅ d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 45 |⋅20
d 2 = 900 | ⋅2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30 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 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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 +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 x 1 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 ⋅ x +1⋅ 0 +5⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +1⋅ y +5⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 ⋅ 0 +1⋅ 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 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 5 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 5 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | ⋅3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

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