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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|6|2), B(-9|10|-6) und C(3|7|3) 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 6 2 ) + ( 12 -3 9 ) = ( 11 3 11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(11|3|11).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -9-( - 1 ) 10-6 -6-2 ) = ( -8 4 -8 ) und AD = BC = ( 3-( - 9 ) 7-10 3-( - 6 ) ) = ( 12 -3 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 4 -8 ) × ( 12 -3 9 ) = ( 4 · 9 - ( -8 ) · ( -3 ) -8 · 12 - ( -8 ) · 9 -8 · ( -3 ) - 4 · 12 ) = ( 36 -24 -96 +72 24 -48 ) = ( 12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 -24 -24 ) | = 12 2 + (-24)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(9|12|2), B(-3|-4|2) und C(-1|7|2).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -3-9 -4-12 2-2 ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -1-9 7-12 2-2 ) = ( -10 -5 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -10 -5 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · ( -5 ) 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -5 ) - ( -16 ) · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 60 -160 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 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(2|0|0), B(20|4|12), C(24|22|0) und D(6|18|-12) und als Spitze S(-14|27|15). 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 = ( 20-2 4-0 12-0 ) = ( 18 4 12 ) und AD = BC = ( 24-20 22-4 0-12 ) = ( 4 18 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 4 12 ) × ( 4 18 -12 ) = ( 4 · ( -12 ) - 12 · 18 12 · 4 - 18 · ( -12 ) 18 · 18 - 4 · 4 ) = ( -48 -216 48 +216 324 -16 ) = ( -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.

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 = ( 2 0 0 ) + r ( 18 4 12 ) + s ( 4 18 -12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 4 12 ) × ( 4 18 -12 ) = ( 4 · ( -12 ) - 12 · 18 12 · 4 - 18 · ( -12 ) 18 · 18 - 4 · 4 ) = ( -48 -216 48 +216 324 -16 ) = ( -264 264 308 ) = 44⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( 18 4 12 ) und ( 4 18 -12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 0 0 ) ] ( -6 6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|0|0) erhält man
d = (-6)2 + 60 + 70
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = -12

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 )+6 27+7 15+12 | ( - 6 ) 2 + 6 2 + 7 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 · 484 · 33 = 5324

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-4|-9|3), B(5|3|3), C(16|1|3) und als Spitze S(3|-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 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 = ( 5-( - 4 ) 3-( - 9 ) 3-3 ) = ( 9 12 0 ) und AC = ( 16-( - 4 ) 1-( - 9 ) 3-3 ) = ( 20 10 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 12 0 ) × ( 20 10 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 10 0 · 20 - 9 · 0 9 · 10 - 12 · 20 ) = ( 0+0 0+0 90 -240 ) = ( 0 0 -150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -150 ) | = 0 2 + 02 + (-150) 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 = ( -4 -9 3 ) + r ( 9 12 0 ) + s ( 20 10 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 9 12 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 9 t ) für jedes t orthogonal zu ( 9 12 0 ) , denn ( 9 12 0 ) ( -12 9 t ) =9(-12) + 129 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 20 10 0 ) ( -12 9 t ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 12 0 ) × ( 20 10 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 10 0 · 20 - 9 · 0 9 · 10 - 12 · 20 ) = ( 0+0 0+0 90 -240 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 9 12 0 ) und ( 20 10 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 -9 3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|-9|3) erhält man
d = 0(-4) + 0(-9) + 13
also:

+ x 3 = 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 = | 0 3+0 ( - 8 )+1 6-3 | 0 2 + 0 2 + 1 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|2|-7), der Punkt C(-3|3|0) und die Gerade g: x = ( -3 2 -7 ) +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 = 37,5 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 = ( -3-( - 3 ) 3-2 0-( - 7 ) ) = ( 0 1 7 ) .

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 1 7 ) = ( 3 t · 7 - ( -4 t ) · 1 -4 t · 0 - 0 · 7 0 · 1 - 3 t · 0 ) = ( 21 t +4 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 37,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 37,5 |⋅2

| 25t | = 75

1. Fall

25t = 75 |: 25

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +0 t | 2 +3 t | -7 -4 t ) ergibt
B1(-3|11|-19).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +0 t | 2 +3 t | -7 -4 t ) ergibt
B2(-3|-7|5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 + x 2 +2 x 3 = 12 .

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 4 x 1 + x 2 +2 x 3 = 12 ein.

S1: 4 x +1 0 +2 0 = 12 => x= 12 4 =3, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +1 y +2 0 = 12 => y=12=12, also S2(0|12|0)
S3: 4 0 +1 0 +2 z = 12 => z= 12 2 =6, also S3(0|0|6)

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⋅12 = 18, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +5 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 450. 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:

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

S1: 3 x +5 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +3 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 3 d 3 = d 2 18

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 2 = 450 |⋅18
d 2 = 8100 | 2
d1 = - 8100 = -90
d2 = 8100 = 90

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-18|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 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: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 81. 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 +3 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 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +2 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 2 d 3 , 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 2 d 3 d 2 = d 3 72

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 72 d 3 = 81 |⋅72
d 3 = 5832 | 3
d = 5832 3 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.