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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|-3|-5), B(7|-19|27) und C(11|1|-4) 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 = ( 3 -3 -5 ) + ( 4 20 -31 ) = ( 7 17 -36 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(7|17|-36).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 7-3 -19-( - 3 ) 27-( - 5 ) ) = ( 4 -16 32 ) und AD = BC = ( 11-7 1-( - 19 ) -4-27 ) = ( 4 20 -31 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 32 ) × ( 4 20 -31 ) = ( -16 · ( -31 ) - 32 · 20 32 · 4 - 4 · ( -31 ) 4 · 20 - ( -16 ) · 4 ) = ( 496 -640 128 +124 80 +64 ) = ( -144 252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 252 144 ) | = (-144) 2 + 2522 + 144 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|-1), B(-12|26|7) und C(-2|-1|5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -12-0 26-2 7-( - 1 ) ) = ( -12 24 8 ) und AC = ( -2-0 -1-2 5-( - 1 ) ) = ( -2 -3 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 24 8 ) × ( -2 -3 6 ) = ( 24 · 6 - 8 · ( -3 ) 8 · ( -2 ) - ( -12 ) · 6 -12 · ( -3 ) - 24 · ( -2 ) ) = ( 144 +24 -16 +72 36 +48 ) = ( 168 56 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 56 84 ) | = 168 2 + 562 + 84 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-3|0), B(-20|-15|4), C(-24|-3|22) und D(-6|9|18) und als Spitze S(-22|24|-9). 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 ) -15-( - 3 ) 4-0 ) = ( -18 -12 4 ) und AD = BC = ( -24-( - 20 ) -3-( - 15 ) 22-4 ) = ( -4 12 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 -12 4 ) × ( -4 12 18 ) = ( -12 · 18 - 4 · 12 4 · ( -4 ) - ( -18 ) · 18 -18 · 12 - ( -12 ) · ( -4 ) ) = ( -216 -48 -16 +324 -216 -48 ) = ( -264 308 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 308 -264 ) | = (-264) 2 + 3082 + (-264) 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 -3 0 ) + r ( -18 -12 4 ) + s ( -4 12 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-3|0) erhält man
d = (-6)(-2) + 7(-3) + (-6)0
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = -9

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 ( - 22 )+7 24-6 ( - 9 )+9 | ( - 6 ) 2 + 7 2 + ( - 6 ) 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(-3|-5|1), B(-1|-1|-3), C(3|-5|-5) und als Spitze S(5|-4|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-( - 3 ) -1-( - 5 ) -3-1 ) = ( 2 4 -4 ) und AC = ( 3-( - 3 ) -5-( - 5 ) -5-1 ) = ( 6 0 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 4 -4 ) × ( 6 0 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 6 - 2 · ( -6 ) 2 · 0 - 4 · 6 ) = ( -24 +0 -24 +12 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.

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 -5 1 ) + r ( 2 4 -4 ) + s ( 6 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 0 -6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 t -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 6 0 -6 ) , denn ( 6 0 -6 ) ( -6 t -6 ) =6(-6) + 0t + (-6)(-6) = -36+0+36=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 2 4 -4 ) ( -6 t -6 ) = 4⋅t +12 = 0 wird, also t=-3 = -3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 -3 -6 ) = -3 1 ( 2 1 2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 2 4 -4 ) × ( 6 0 -6 ) = ( 4 · ( -6 ) - ( -4 ) · 0 -4 · 6 - 2 · ( -6 ) 2 · 0 - 4 · 6 ) = ( -24 +0 -24 +12 0 -24 ) = ( -24 -12 -24 )

= -12⋅ ( 2 1 2 )

Weil der Vektor ( 2 1 2 ) orthogonal zu ( 2 4 -4 ) und ( 6 0 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -5 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(-3|-5|1) erhält man
d = 2(-3) + 1(-5) + 21
also:

2 x 1 + x 2 +2 x 3 = -9

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 5+1 ( - 4 )+2 6+9 | 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(13|3|-13), der Punkt C(-2|-9|-2) und die Gerade g: x = ( 13 3 -13 ) +t ( -6 -2 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 73,5 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 ( -6 t -2 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -2-13 -9-3 -2-( - 13 ) ) = ( -15 -12 11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t -2 t 3 t ) × ( -15 -12 11 ) = ( -2 t · 11 - 3 t · ( -12 ) 3 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · 11 -6 t · ( -12 ) - ( -2 t ) · ( -15 ) ) = ( -22 t +36 t -45 t +66 t 72 t -30 t ) = ( 14 t 21 t 42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 14 t 21 t 42 t ) | = 196 t 2 +441 t 2 +1764 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | 3 -2 t | -13 +3 t ) ergibt
B1(-5|-3|-4).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | 3 -2 t | -13 +3 t ) ergibt
B2(31|9|-22).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +2 0 = 12 => x= 6 2 =3, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +4 y +2 0 = 12 => y= 6 4 =1.5, also S2(0|3|0)
S3: 2 0 +4 0 +2 z = 12 => z= 6 2 =3, 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 ⋅ 6⋅3 = 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 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 48. 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 +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 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 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 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 = 48 |⋅12
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 24

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 24 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 +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 96. 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 +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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +2 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 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 4 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 4 d 3 d 2 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 96 |⋅144
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.