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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-4|4), B(-6|32|28) und C(-7|-2|-2) 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 -4 4 ) + ( -1 -34 -30 ) = ( 1 -38 -26 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|-38|-26).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 32-( - 4 ) 28-4 ) = ( -8 36 24 ) und AD = BC = ( -7-( - 6 ) -2-32 -2-28 ) = ( -1 -34 -30 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 36 24 ) × ( -1 -34 -30 ) = ( 36 · ( -30 ) - 24 · ( -34 ) 24 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -30 ) -8 · ( -34 ) - 36 · ( -1 ) ) = ( -1080 +816 -24 -240 272 +36 ) = ( -264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + 308 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(-11|-14|-25), B(-3|10|11) und C(4|-2|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 = ( -3-( - 11 ) 10-( - 14 ) 11-( - 25 ) ) = ( 8 24 36 ) und AC = ( 4-( - 11 ) -2-( - 14 ) 4-( - 25 ) ) = ( 15 12 29 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 24 36 ) × ( 15 12 29 ) = ( 24 · 29 - 36 · 12 36 · 15 - 8 · 29 8 · 12 - 24 · 15 ) = ( 696 -432 540 -232 96 -360 ) = ( 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(2|6|-3), B(6|-26|13), C(23|-36|9) und D(19|-4|-7) und als Spitze S(23|9|18). 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 -26-6 13-( - 3 ) ) = ( 4 -32 16 ) und AD = BC = ( 23-6 -36-( - 26 ) 9-13 ) = ( 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 = ( 2 6 -3 ) + 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 - ( 2 6 -3 ) ] ( 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(2|6|-3) erhält man
d = 42 + 46 + 7(-3)
also:

4 x 1 +4 x 2 +7 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 = | 4 23+4 9+7 18-11 | 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(2|-2|0), B(6|-4|4), C(2|-8|6) und als Spitze S(3|-10|-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 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 = ( 6-2 -4-( - 2 ) 4-0 ) = ( 4 -2 4 ) und AC = ( 2-2 -8-( - 2 ) 6-0 ) = ( 0 -6 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -2 4 ) × ( 0 -6 6 ) = ( -2 · 6 - 4 · ( -6 ) 4 · 0 - 4 · 6 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 ) = ( -12 +24 0 -24 -24 +0 ) = ( 12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 -24 -24 ) | = 12 2 + (-24)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

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 -2 0 ) + r ( 4 -2 4 ) + s ( 0 -6 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -6 6 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -6 -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -6 6 ) , denn ( 0 -6 6 ) ( t -6 -6 ) =0t + (-6)(-6) + 6(-6) = 0+36-36=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 -2 4 ) ( t -6 -6 ) = 4⋅t -12 = 0 wird, also t=3 = 3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 3 -6 -6 ) = 3 1 ( 1 -2 -2 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 4 -2 4 ) × ( 0 -6 6 ) = ( -2 · 6 - 4 · ( -6 ) 4 · 0 - 4 · 6 4 · ( -6 ) - ( -2 ) · 0 ) = ( -12 +24 0 -24 -24 +0 ) = ( 12 -24 -24 )

= 12⋅ ( 1 -2 -2 )

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

x 1 -2 x 2 -2 x 3 = 6

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 ( - 5 )-6 | 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 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-2|-1), der Punkt C(5|-2|-8) und die Gerade g: x = ( 4 -2 -1 ) +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 = 62,5 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 = ( 5-4 -2-( - 2 ) -8-( - 1 ) ) = ( 1 0 -7 ) .

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 ) × ( 1 0 -7 ) = ( 0 · ( -7 ) - 4 t · 0 4 t · 1 - 3 t · ( -7 ) 3 t · 0 - 0 · 1 ) = ( 0+0 4 t +21 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 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +3 t | -2 +0 t | -1 +4 t ) ergibt
B1(19|-2|19).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +3 t | -2 +0 t | -1 +4 t ) ergibt
B2(-11|-2|-21).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 +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 6. 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 (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 +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 )

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 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 6 |⋅24
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-3|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 12 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 + x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 22.5. 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:

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

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

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 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 5 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 1 d 5 = d 3 150

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 150 d 3 = 22,5 |⋅150
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

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