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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(8|14|-5), B(-16|-22|3) und C(8|3|6) 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 = ( 8 14 -5 ) + ( 24 25 3 ) = ( 32 39 -2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(32|39|-2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -16-8 -22-14 3-( - 5 ) ) = ( -24 -36 8 ) und AD = BC = ( 8-( - 16 ) 3-( - 22 ) 6-3 ) = ( 24 25 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -36 8 ) × ( 24 25 3 ) = ( -36 · 3 - 8 · 25 8 · 24 - ( -24 ) · 3 -24 · 25 - ( -36 ) · 24 ) = ( -108 -200 192 +72 -600 +864 ) = ( -308 264 264 ) .

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

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(12|3|-3), B(48|27|5) und C(5|-9|4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 48-12 27-3 5-( - 3 ) ) = ( 36 24 8 ) und AC = ( 5-12 -9-3 4-( - 3 ) ) = ( -7 -12 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 24 8 ) × ( -7 -12 7 ) = ( 24 · 7 - 8 · ( -12 ) 8 · ( -7 ) - 36 · 7 36 · ( -12 ) - 24 · ( -7 ) ) = ( 168 +96 -56 -252 -432 +168 ) = ( 264 -308 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -308 -264 ) | = 264 2 + (-308)2 + (-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(-5|7|-4), B(7|-9|-4), C(18|-7|-4) und D(6|9|-4) und als Spitze S(2|6|-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 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 = ( 7-( - 5 ) -9-7 -4-( - 4 ) ) = ( 12 -16 0 ) und AD = BC = ( 18-7 -7-( - 9 ) -4-( - 4 ) ) = ( 11 2 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 200 ) | = 0 2 + 02 + 200 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 = ( -5 7 -4 ) + r ( 12 -16 0 ) + s ( 11 2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 -16 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 16 12 t ) für jedes t orthogonal zu ( 12 -16 0 ) , denn ( 12 -16 0 ) ( 16 12 t ) =1216 + (-16)12 + 0t = 192-192+0=0.

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

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

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

= 200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 -16 0 ) und ( 11 2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 7 -4 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|7|-4) erhält man
d = 0(-5) + 07 + 1(-4)
also:

+ x 3 = -4

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 2+0 6+1 ( - 1 )+4 | 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(3|2|4), B(0|-22|-8), C(-16|-24|0) und als Spitze S(-17|13|-13).
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 = ( 0-3 -22-2 -8-4 ) = ( -3 -24 -12 ) und AC = ( -16-3 -24-2 0-4 ) = ( -19 -26 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 -24 -12 ) × ( -19 -26 -4 ) = ( -24 · ( -4 ) - ( -12 ) · ( -26 ) -12 · ( -19 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -26 ) - ( -24 ) · ( -19 ) ) = ( 96 -312 228 -12 78 -456 ) = ( -216 216 -378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -216 216 -378 ) | = (-216) 2 + 2162 + (-378) 2 = 236196 = 486 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 ⋅ 486 = 243.

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 4 ) + r ( -3 -24 -12 ) + s ( -19 -26 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 -24 -12 ) × ( -19 -26 -4 ) = ( -24 · ( -4 ) - ( -12 ) · ( -26 ) -12 · ( -19 ) - ( -3 ) · ( -4 ) -3 · ( -26 ) - ( -24 ) · ( -19 ) ) = ( 96 -312 228 -12 78 -456 ) = ( -216 216 -378 ) = 54⋅ ( -4 4 -7 )

Weil der Vektor ( -4 4 -7 ) orthogonal zu ( -3 -24 -12 ) und ( -19 -26 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 2 4 ) ] ( -4 4 -7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|2|4) erhält man
d = (-4)3 + 42 + (-7)4
also:

-4 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = -32

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 = | -4 ( - 17 )+4 13-7 ( - 13 )+32 | ( - 4 ) 2 + 4 2 + ( - 7 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 243 · 27 = 2187

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-8|-2|-12), der Punkt C(-8|9|-1) und die Gerade g: x = ( -8 -2 -12 ) +t ( 6 2 9 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121 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 9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -8-( - 8 ) 9-( - 2 ) -1-( - 12 ) ) = ( 0 11 11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t 2 t 9 t ) × ( 0 11 11 ) = ( 2 t · 11 - 9 t · 11 9 t · 0 - 6 t · 11 6 t · 11 - 2 t · 0 ) = ( 22 t -99 t 0 -66 t 66 t +0 ) = ( -77 t -66 t 66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -77 t -66 t 66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 +6 t | -2 +2 t | -12 +9 t ) ergibt
B1(4|2|6).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 +6 t | -2 +2 t | -12 +9 t ) ergibt
B2(-20|-6|-30).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36 .

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 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 36 ein.

S1: 3 x +4 0 +2 0 = 36 => x= 36 3 =12, also S1(12|0|0)
S2: 3 0 +4 y +2 0 = 36 => y= 36 4 =9, also S2(0|9|0)
S3: 3 0 +4 0 +2 z = 36 => z= 36 2 =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 ⋅ 12⋅9 = 54, 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 ⋅54⋅18
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +2 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 2 0 +4 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 2 d 2 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 2 |⋅8
d 2 = 16 | 2
d1 = - 16 = -4
d2 = 16 = 4

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 18. 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 + x 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 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 1 d 1 = d 3 12

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 3 = 18 |⋅12
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 + x 2 + x 3 = 6

Aber auch E2: 2 x 1 + x 2 + x 3 = -6 ist eine Lösung.

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