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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|-6|6), B(-6|26|-10) und C(-11|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 = ( -2 -6 6 ) + ( -5 -23 16 ) = ( -7 -29 22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-7|-29|22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-( - 2 ) 26-( - 6 ) -10-6 ) = ( -4 32 -16 ) und AD = BC = ( -11-( - 6 ) 3-26 6-( - 10 ) ) = ( -5 -23 16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 32 -16 ) × ( -5 -23 16 ) = ( 32 · 16 - ( -16 ) · ( -23 ) -16 · ( -5 ) - ( -4 ) · 16 -4 · ( -23 ) - 32 · ( -5 ) ) = ( 512 -368 80 +64 92 +160 ) = ( 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(-4|1|2), B(-12|37|-22) und C(-13|3|8).

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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-( - 4 ) 37-1 -22-2 ) = ( -8 36 -24 ) und AC = ( -13-( - 4 ) 3-1 8-2 ) = ( -9 2 6 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 308 ) | = 264 2 + 2642 + 308 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(4|5|-5), B(13|5|7), C(21|5|1) und D(12|5|-11) und als Spitze S(8|8|-8). 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 = ( 13-4 5-5 7-( - 5 ) ) = ( 9 0 12 ) und AD = BC = ( 21-13 5-5 1-7 ) = ( 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 = ( 4 5 -5 ) + 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 ) =912 + 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 - ( 4 5 -5 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|5|-5) erhält man
d = 04 + 15 + 0(-5)
also:

+ x 2 = 5

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 8+1 8+0 ( - 8 )-5 | 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(4|-7|2), B(1|-1|8), C(-4|-3|12) und als Spitze S(-5|-4|-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 = ( 1-4 -1-( - 7 ) 8-2 ) = ( -3 6 6 ) und AC = ( -4-4 -3-( - 7 ) 12-2 ) = ( -8 4 10 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 36 -18 36 ) | = 36 2 + (-18)2 + 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 = ( 4 -7 2 ) + r ( -3 6 6 ) + s ( -8 4 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( -2 1 -2 ) orthogonal zu ( -3 6 6 ) und ( -8 4 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -7 2 ) ] ( -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(4|-7|2) erhält man
d = (-2)4 + 1(-7) + (-2)2
also:

-2 x 1 + x 2 -2 x 3 = -19

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 ( - 1 )+19 | ( - 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 · 27 · 9 = 81

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(7|5|10), der Punkt C(-6|5|1) und die Gerade g: x = ( 7 5 10 ) +t ( -3 0 -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 ( -3 t 0 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-7 5-5 1-10 ) = ( -13 0 -9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t 0 t -4 t ) × ( -13 0 -9 ) = ( 0 · ( -9 ) - ( -4 t ) · 0 -4 t · ( -13 ) - ( -3 t ) · ( -9 ) -3 t · 0 - 0 · ( -13 ) ) = ( 0+0 52 t -27 t 0+0 ) = ( 0 25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +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 ( 7 -3 t | 5 +0 t | 10 -4 t ) ergibt
B1(-2|5|-2).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 7 -3 t | 5 +0 t | 10 -4 t ) ergibt
B2(16|5|22).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 .

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 +5 x 2 +2 x 3 = 30 ein.

S1: 2 x +5 0 +2 0 = 30 => x= 30 2 =15, also S1(15|0|0)
S2: 2 0 +5 y +2 0 = 30 => y= 30 5 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +5 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 15⋅6 = 45, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 + 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 8. 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 + 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 4 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +1 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +1 y +1 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 0 +1 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 4 d 1 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 8 |⋅8
d 2 = 64 | 2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 8

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 + x 3 = -8 ist eine Lösung.

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 90. 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:

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

S1: 5 x +5 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 0 +5 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 5 d 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 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 5 d 5 d 2 = d 3 300

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 300 d 3 = 90 |⋅300
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.