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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-22|-5|-15), B(10|-1|1) und C(3|6|-7) 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 = ( -22 -5 -15 ) + ( -7 7 -8 ) = ( -29 2 -23 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-29|2|-23).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 10-( - 22 ) -1-( - 5 ) 1-( - 15 ) ) = ( 32 4 16 ) und AD = BC = ( 3-10 6-( - 1 ) -7-1 ) = ( -7 7 -8 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 144 252 ) | = (-144) 2 + 1442 + 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(2|4|3), B(26|40|-5) und C(-4|6|-6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 26-2 40-4 -5-3 ) = ( 24 36 -8 ) und AC = ( -4-2 6-4 -6-3 ) = ( -6 2 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 36 -8 ) × ( -6 2 -9 ) = ( 36 · ( -9 ) - ( -8 ) · 2 -8 · ( -6 ) - 24 · ( -9 ) 24 · 2 - 36 · ( -6 ) ) = ( -324 +16 48 +216 48 +216 ) = ( -308 264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 264 264 ) | = (-308) 2 + 2642 + 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-6|3), B(-2|6|-13), C(-2|17|-11) und D(-2|5|5) und als Spitze S(1|1|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-( - 2 ) 6-( - 6 ) -13-3 ) = ( 0 12 -16 ) und AD = BC = ( -2-( - 2 ) 17-6 -11-( - 13 ) ) = ( 0 11 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 12 -16 ) × ( 0 11 2 ) = ( 12 · 2 - ( -16 ) · 11 -16 · 0 - 0 · 2 0 · 11 - 12 · 0 ) = ( 24 +176 0+0 0+0 ) = ( 200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 200 0 0 ) | = 200 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 200.

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 -6 3 ) + r ( 0 12 -16 ) + s ( 0 11 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 12 -16 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 16 12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 12 -16 ) , denn ( 0 12 -16 ) ( t 16 12 ) =0t + 1216 + (-16)12 = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 11 2 ) ( t 16 12 ) = 0⋅t +200 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 12 -16 ) × ( 0 11 2 ) = ( 12 · 2 - ( -16 ) · 11 -16 · 0 - 0 · 2 0 · 11 - 12 · 0 ) = ( 24 +176 0+0 0+0 ) = ( 200 0 0 )

= 200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 12 -16 ) und ( 0 11 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -6 3 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-6|3) erhält man
d = 1(-2) + 0(-6) + 03
also:

x 1 = -2

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 1+0 1+0 2+2 | 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(8|7|0), B(-10|-2|-6), C(-10|-9|-20) und als Spitze S(11|-16|1).
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 = ( -10-8 -2-7 -6-0 ) = ( -18 -9 -6 ) und AC = ( -10-8 -9-7 -20-0 ) = ( -18 -16 -20 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 -9 -6 ) × ( -18 -16 -20 ) = ( -9 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -16 ) -6 · ( -18 ) - ( -18 ) · ( -20 ) -18 · ( -16 ) - ( -9 ) · ( -18 ) ) = ( 180 -96 108 -360 288 -162 ) = ( 84 -252 126 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 -252 126 ) | = 84 2 + (-252)2 + 126 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 = ( 8 7 0 ) + r ( -18 -9 -6 ) + s ( -18 -16 -20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -18 -9 -6 ) × ( -18 -16 -20 ) = ( -9 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -16 ) -6 · ( -18 ) - ( -18 ) · ( -20 ) -18 · ( -16 ) - ( -9 ) · ( -18 ) ) = ( 180 -96 108 -360 288 -162 ) = ( 84 -252 126 ) = 42⋅ ( 2 -6 3 )

Weil der Vektor ( 2 -6 3 ) orthogonal zu ( -18 -9 -6 ) und ( -18 -16 -20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 8 7 0 ) ] ( 2 -6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(8|7|0) erhält man
d = 28 + (-6)7 + 30
also:

2 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = -26

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 11-6 ( - 16 )+3 1+26 | 2 2 + ( - 6 ) 2 + 3 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 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

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

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t t 2 t ) × ( 7 5 4 ) = ( t · 4 - 2 t · 5 2 t · 7 - 2 t · 4 2 t · 5 - t · 7 ) = ( 4 t -10 t 14 t -8 t 10 t -7 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 ( -4 +2 t | -6 +1 t | -2 +2 t ) ergibt
B1(2|-3|4).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +2 t | -6 +1 t | -2 +2 t ) ergibt
B2(-10|-9|-8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +2 0 +2 0 = 6 => x= 3 2 =1.5, also S1(3|0|0)
S2: 2 0 +2 y +2 0 = 6 => y= 3 2 =1.5, also S2(0|3|0)
S3: 2 0 +2 0 +2 z = 6 => z= 3 2 =1.5, also S3(0|0|3)

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⋅3 = 4.5, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 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 12. 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 +2 x 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 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 d 2 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 12 |⋅12
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 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 9. 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 +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 4 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +4 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 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 4 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 4 d 2 d 4 = d 3 192

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 192 d 3 = 9 |⋅192
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-3|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.