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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|12|3), B(-17|-20|7) und C(-1|3|12) 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 → = ( -1 12 3 ) + ( 16 23 5 ) = ( 15 35 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(15|35|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -17-( - 1 ) -20-12 7-3 ) = ( -16 -32 4 ) und AD → = BC → = ( -1-( - 17 ) 3-( - 20 ) 12-7 ) = ( 16 23 5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -16 -32 4 ) × ( 16 23 5 ) = ( -32 · 5 - 4 · 23 4 · 16 - ( -16 ) · 5 -16 · 23 - ( -32 ) · 16 ) = ( -160 -92 64 +80 -368 +512 ) = ( -252 144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -252 144 144 ) | = (-252) 2 + 1442 + 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(-15|7|-13), B(17|3|3) und C(2|-3|-9).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( 17-( - 15 ) 3-7 3-( - 13 ) ) = ( 32 -4 16 ) und AC → = ( 2-( - 15 ) -3-7 -9-( - 13 ) ) = ( 17 -10 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 32 -4 16 ) × ( 17 -10 4 ) = ( -4 · 4 - 16 · ( -10 ) 16 · 17 - 32 · 4 32 · ( -10 ) - ( -4 ) · 17 ) = ( -16 +160 272 -128 -320 +68 ) = ( 144 144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 144 -252 ) | = 144 2 + 1442 + (-252) 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-1|-5), B(6|23|31), C(26|17|44) und D(18|-7|8) und als Spitze S(27|20|-12). 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 → = ( 6-( - 2 ) 23-( - 1 ) 31-( - 5 ) ) = ( 8 24 36 ) und AD → = BC → = ( 26-6 17-23 44-31 ) = ( 20 -6 13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 24 36 ) × ( 20 -6 13 ) = ( 24 · 13 - 36 · ( -6 ) 36 · 20 - 8 · 13 8 · ( -6 ) - 24 · 20 ) = ( 312 +216 720 -104 -48 -480 ) = ( 528 616 -528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 528 616 -528 ) | = 528 2 + 6162 + (-528) 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 968.

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 -1 -5 ) + r ⋅ ( 8 24 36 ) + s ⋅ ( 20 -6 13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( 8 24 36 ) × ( 20 -6 13 ) = ( 24 · 13 - 36 · ( -6 ) 36 · 20 - 8 · 13 8 · ( -6 ) - 24 · 20 ) = ( 312 +216 720 -104 -48 -480 ) = ( 528 616 -528 ) = 88⋅ ( 6 7 -6 )

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( 8 24 36 ) und ( 20 -6 13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -2 -1 -5 ) ] ∘ ( 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|-1|-5) erhält man
d = 6⋅(-2) + 7⋅(-1) + (-6)⋅(-5)
also:

6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = 11

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 ⋅ 27+7 ⋅ 20-6 ⋅ ( - 12 )-11 | 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|-7|4), B(2|2|-8), C(2|13|-6) und als Spitze S(5|0|3).
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 → = ( 2-2 2-( - 7 ) -8-4 ) = ( 0 9 -12 ) und AC → = ( 2-2 13-( - 7 ) -6-4 ) = ( 0 20 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 9 -12 ) × ( 0 20 -10 ) = ( 9 · ( -10 ) - ( -12 ) · 20 -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( -90 +240 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 150 0 0 ) | = 150 2 + 02 + 0 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 → = ( 2 -7 4 ) + r ⋅ ( 0 9 -12 ) + s ⋅ ( 0 20 -10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 9 -12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 12 9 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 9 -12 ) , denn ( 0 9 -12 ) ∘ ( t 12 9 ) =0⋅t + 9⋅12 + (-12)⋅9 = 0+108-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 20 -10 ) ⋅ ( t 12 9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( 0 9 -12 ) × ( 0 20 -10 ) = ( 9 · ( -10 ) - ( -12 ) · 20 -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( -90 +240 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 9 -12 ) und ( 0 20 -10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 2 -7 4 ) ] ∘ ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-7|4) erhält man
d = 1⋅2 + 0⋅(-7) + 0⋅4
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 ⋅ 5+0 ⋅ 0+0 ⋅ 3-2 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|-29|12), der Punkt C(5|-4|4) und die Gerade g: x → = ( -6 -29 12 ) +t⋅ ( 1 8 -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 = 81 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 8 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 5-( - 6 ) -4-( - 29 ) 4-12 ) = ( 11 25 -8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( t 8 t -4 t ) × ( 11 25 -8 ) = ( 8 t · ( -8 ) - ( -4 t ) · 25 -4 t · 11 - t · ( -8 ) t · 25 - 8 t · 11 ) = ( -64 t +100 t -44 t +8 t 25 t -88 t ) = ( 36 t -36 t -63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 36 t -36 t -63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +1 t | -29 +8 t | 12 -4 t ) ergibt
B1(-4|-13|4).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +1 t | -29 +8 t | 12 -4 t ) ergibt
B2(-8|-45|20).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 + x 3 = 9 .

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 +3 x 2 + x 3 = 9 ein.

S1: 3 ⋅ x +3⋅ 0 +1⋅ 0 = 9 => x= 9 3 =3, also S1(3|0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +3⋅ y +1⋅ 0 = 9 => y= 9 3 =3, also S2(0|3|0)
S3: 3 ⋅ 0 +3⋅ 0 +1⋅ z = 9 => z=9=9, also S3(0|0|9)

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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅9
=13.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

Die Schnittpunkte von E mit der x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 25. 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 +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 5 x 1 +2 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +2⋅ 0 +1⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +2⋅ y +1⋅ 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 ⋅ 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 ⋅ d 2 ⋅ d 1 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 25 |⋅4
d 2 = 100 | ⋅2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-5|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 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 +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 324. 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 = 324 |⋅144
d 3 = 46656 | ⋅3
d = 46656 3 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 36

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.