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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|2|-2), B(-6|-10|22) und C(-4|0|-5) 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 = ( 2 2 -2 ) + ( 2 10 -27 ) = ( 4 12 -29 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(4|12|-29).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 -10-2 22-( - 2 ) ) = ( -8 -12 24 ) und AD = BC = ( -4-( - 6 ) 0-( - 10 ) -5-22 ) = ( 2 10 -27 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -12 24 ) × ( 2 10 -27 ) = ( -12 · ( -27 ) - 24 · 10 24 · 2 - ( -8 ) · ( -27 ) -8 · 10 - ( -12 ) · 2 ) = ( 324 -240 48 -216 -80 +24 ) = ( 84 -168 -56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 -168 -56 ) | = 84 2 + (-168)2 + (-56) 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(-6|3|6), B(6|3|-10) und C(4|3|1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-( - 6 ) 3-3 -10-6 ) = ( 12 0 -16 ) und AC = ( 4-( - 6 ) 3-3 1-6 ) = ( 10 0 -5 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(1|1|2), B(-8|1|-10), C(-16|1|-4) und D(-7|1|8) und als Spitze S(-3|4|5). 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 = ( -8-1 1-1 -10-2 ) = ( -9 0 -12 ) und AD = BC = ( -16-( - 8 ) 1-1 -4-( - 10 ) ) = ( -8 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 0 -12 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -8 ) - ( -9 ) · 6 -9 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 = ( 1 1 2 ) + r ( -9 0 -12 ) + s ( -8 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -9 0 -12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 t 9 ) für jedes t orthogonal zu ( -9 0 -12 ) , denn ( -9 0 -12 ) ( -12 t 9 ) =(-9)(-12) + 0t + (-12)9 = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -8 0 6 ) ( -12 t 9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -9 0 -12 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -12 ) · 0 -12 · ( -8 ) - ( -9 ) · 6 -9 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -9 0 -12 ) und ( -8 0 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 1 2 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|1|2) erhält man
d = 01 + 11 + 02
also:

+ x 2 = 1

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 )+1 4+0 5-1 | 0 2 + 1 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|1|-4), B(-6|7|-1), C(-4|11|4) und als Spitze S(3|10|-7).
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 = ( -6-0 7-1 -1-( - 4 ) ) = ( -6 6 3 ) und AC = ( -4-0 11-1 4-( - 4 ) ) = ( -4 10 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 6 3 ) × ( -4 10 8 ) = ( 6 · 8 - 3 · 10 3 · ( -4 ) - ( -6 ) · 8 -6 · 10 - 6 · ( -4 ) ) = ( 48 -30 -12 +48 -60 +24 ) = ( 18 36 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 18 36 -36 ) | = 18 2 + 362 + (-36) 2 = 2916 = 54 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 ⋅ 54 = 27.

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 = ( 0 1 -4 ) + r ( -6 6 3 ) + s ( -4 10 8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 6 3 ) × ( -4 10 8 ) = ( 6 · 8 - 3 · 10 3 · ( -4 ) - ( -6 ) · 8 -6 · 10 - 6 · ( -4 ) ) = ( 48 -30 -12 +48 -60 +24 ) = ( 18 36 -36 ) = 18⋅ ( 1 2 -2 )

Weil der Vektor ( 1 2 -2 ) orthogonal zu ( -6 6 3 ) und ( -4 10 8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 1 -4 ) ] ( 1 2 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 +2 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|1|-4) erhält man
d = 10 + 21 + (-2)(-4)
also:

x 1 +2 x 2 -2 x 3 = 10

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 3+2 10-2 ( - 7 )-10 | 1 2 + 2 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|4|11), der Punkt C(3|-3|7) und die Gerade g: x = ( -2 4 11 ) +t ( 1 -2 -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 ( t -2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 3-( - 2 ) -3-4 7-11 ) = ( 5 -7 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t -2 t ) × ( 5 -7 -4 ) = ( -2 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · ( -7 ) -2 t · 5 - t · ( -4 ) t · ( -7 ) - ( -2 t ) · 5 ) = ( 8 t -14 t -10 t +4 t -7 t +10 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 ( -2 +1 t | 4 -2 t | 11 -2 t ) ergibt
B1(1|-2|5).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +1 t | 4 -2 t | 11 -2 t ) ergibt
B2(-5|10|17).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅12
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 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 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:

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

S1: 2 x +5 0 +1 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 2 d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 5 |⋅20
d 2 = 100 | 2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 + x 3 = 10

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 + x 3 = -10 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-5|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 + x 3 = 10 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 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. 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 + 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 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 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 1 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 1 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 2 + 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|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.