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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-10|7|-4), B(-2|-1|0) und C(-6|0|1) 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 = ( -10 7 -4 ) + ( -4 1 1 ) = ( -14 8 -3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-14|8|-3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -2-( - 10 ) -1-7 0-( - 4 ) ) = ( 8 -8 4 ) und AD = BC = ( -6-( - 2 ) 0-( - 1 ) 1-0 ) = ( -4 1 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -8 4 ) × ( -4 1 1 ) = ( -8 · 1 - 4 · 1 4 · ( -4 ) - 8 · 1 8 · 1 - ( -8 ) · ( -4 ) ) = ( -8 -4 -16 -8 8 -32 ) = ( -12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(3|5|4), B(11|-19|40) und C(12|11|6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 11-3 -19-5 40-4 ) = ( 8 -24 36 ) und AC = ( 12-3 11-5 6-4 ) = ( 9 6 2 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 308 264 ) | = (-264) 2 + 3082 + 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(4|-11|5), B(0|21|-11), C(-17|31|-7) und D(-13|-1|9) und als Spitze S(7|10|26). 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 = ( 0-4 21-( - 11 ) -11-5 ) = ( -4 32 -16 ) und AD = BC = ( -17-0 31-21 -7-( - 11 ) ) = ( -17 10 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 32 -16 ) × ( -17 10 4 ) = ( 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · ( -17 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 10 - 32 · ( -17 ) ) = ( 128 +160 272 +16 -40 +544 ) = ( 288 288 504 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 288 288 504 ) | = 288 2 + 2882 + 504 2 = 419904 = 648 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 648.

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 -11 5 ) + r ( -4 32 -16 ) + s ( -17 10 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -4 32 -16 ) × ( -17 10 4 ) = ( 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · ( -17 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 10 - 32 · ( -17 ) ) = ( 128 +160 272 +16 -40 +544 ) = ( 288 288 504 ) = 72⋅ ( 4 4 7 )

Weil der Vektor ( 4 4 7 ) orthogonal zu ( -4 32 -16 ) und ( -17 10 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -11 5 ) ] ( 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(4|-11|5) erhält man
d = 44 + 4(-11) + 75
also:

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

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 7+4 10+7 26-7 | 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 · 648 · 27 = 5832

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|1|4), B(12|1|-5), C(6|1|-13) und als Spitze S(-3|4|0).
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 = ( 12-0 1-1 -5-4 ) = ( 12 0 -9 ) und AC = ( 6-0 1-1 -13-4 ) = ( 6 0 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 -9 ) × ( 6 0 -17 ) = ( 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 6 - 12 · ( -17 ) 12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 -54 +204 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 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 = ( 0 1 4 ) + r ( 12 0 -9 ) + s ( 6 0 -17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 6 0 -17 ) ( -9 t -12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 0 -9 ) × ( 6 0 -17 ) = ( 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 -9 · 6 - 12 · ( -17 ) 12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 -54 +204 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 -9 ) und ( 6 0 -17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 1 4 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|1|4) erhält man
d = 00 + 11 + 04
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 0-1 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-7|5|16), der Punkt C(3|-3|7) und die Gerade g: x = ( -7 5 16 ) +t ( 2 -3 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 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 ( 2 t -3 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 3-( - 7 ) -3-5 7-16 ) = ( 10 -8 -9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -3 t -6 t ) × ( 10 -8 -9 ) = ( -3 t · ( -9 ) - ( -6 t ) · ( -8 ) -6 t · 10 - 2 t · ( -9 ) 2 t · ( -8 ) - ( -3 t ) · 10 ) = ( 27 t -48 t -60 t +18 t -16 t +30 t ) = ( -21 t -42 t 14 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -21 t -42 t 14 t ) | = 441 t 2 +1764 t 2 +196 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 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +2 t | 5 -3 t | 16 -6 t ) ergibt
B1(1|-7|-8).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +2 t | 5 -3 t | 16 -6 t ) ergibt
B2(-15|17|40).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 +2 x 2 + x 3 = 6 .

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 x 1 +2 x 2 + x 3 = 6 ein.

S1: 1 x +2 0 +1 0 = 6 => x=6=6, also S1(6|0|0)
S2: 1 0 +2 y +1 0 = 6 => y= 6 2 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 0 +2 0 +1 z = 6 => z=6=6, 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: x 1 +2 x 2 +4 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 64. 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:

x 1 +2 x 2 +4 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 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 d 2 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 64 |⋅4
d 2 = 256 | 2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 16

Aber auch E2: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-16|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 16 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 12. 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 +4 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 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 2 d 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 12 |⋅144
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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