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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-3|1|3), B(5|-7|7) und C(-5|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 = ( -3 1 3 ) + ( -10 7 -2 ) = ( -13 8 1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-13|8|1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 3 ) -7-1 7-3 ) = ( 8 -8 4 ) und AD = BC = ( -5-5 0-( - 7 ) 5-7 ) = ( -10 7 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -8 4 ) × ( -10 7 -2 ) = ( -8 · ( -2 ) - 4 · 7 4 · ( -10 ) - 8 · ( -2 ) 8 · 7 - ( -8 ) · ( -10 ) ) = ( 16 -28 -40 +16 56 -80 ) = ( -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(8|8|1), B(44|32|-7) und C(1|-4|-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 = ( 44-8 32-8 -7-1 ) = ( 36 24 -8 ) und AC = ( 1-8 -4-8 -6-1 ) = ( -7 -12 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 24 -8 ) × ( -7 -12 -7 ) = ( 24 · ( -7 ) - ( -8 ) · ( -12 ) -8 · ( -7 ) - 36 · ( -7 ) 36 · ( -12 ) - 24 · ( -7 ) ) = ( -168 -96 56 +252 -432 +168 ) = ( -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(-1|5|-3), B(5|-22|15), C(25|-35|9) und D(19|-8|-9) und als Spitze S(28|12|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 = ( 5-( - 1 ) -22-5 15-( - 3 ) ) = ( 6 -27 18 ) und AD = BC = ( 25-5 -35-( - 22 ) 9-15 ) = ( 20 -13 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -27 18 ) × ( 20 -13 -6 ) = ( -27 · ( -6 ) - 18 · ( -13 ) 18 · 20 - 6 · ( -6 ) 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 ) = ( 162 +234 360 +36 -78 +540 ) = ( 396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 396 396 462 ) | = 396 2 + 3962 + 462 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 5 -3 ) + r ( 6 -27 18 ) + s ( 20 -13 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -27 18 ) × ( 20 -13 -6 ) = ( -27 · ( -6 ) - 18 · ( -13 ) 18 · 20 - 6 · ( -6 ) 6 · ( -13 ) - ( -27 ) · 20 ) = ( 162 +234 360 +36 -78 +540 ) = ( 396 396 462 ) = 66⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( 6 -27 18 ) und ( 20 -13 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 5 -3 ) ] ( 6 6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|5|-3) erhält man
d = 6(-1) + 65 + 7(-3)
also:

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

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 28+6 12+7 18-3 | 6 2 + 6 2 + 7 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-4|2|1), B(-4|-7|-11), C(-4|-18|-9) und als Spitze S(-1|-5|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 = ( -4-( - 4 ) -7-2 -11-1 ) = ( 0 -9 -12 ) und AC = ( -4-( - 4 ) -18-2 -9-1 ) = ( 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 = ( -4 2 1 ) + 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 ) =0t + (-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 - ( -4 2 1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|2|1) erhält man
d = 1(-4) + 02 + 01
also:

x 1 = -4

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 ( - 1 )+0 ( - 5 )+0 0+4 | 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(-3|1|6), der Punkt C(1|-1|1) und die Gerade g: x = ( -3 1 6 ) +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 = 18 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 = ( 1-( - 3 ) -1-1 1-6 ) = ( 4 -2 -5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t -2 t ) × ( 4 -2 -5 ) = ( -2 t · ( -5 ) - ( -2 t ) · ( -2 ) -2 t · 4 - t · ( -5 ) t · ( -2 ) - ( -2 t ) · 4 ) = ( 10 t -4 t -8 t +5 t -2 t +8 t ) = ( 6 t -3 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t -3 t 6 t ) | = 36 t 2 +9 t 2 +36 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 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

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

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +1 t | 1 -2 t | 6 -2 t ) ergibt
B2(-7|9|14).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +1 0 +2 0 = 12 => x= 12 4 =3, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +1 y +2 0 = 12 => y=12=12, also S2(0|12|0)
S3: 4 0 +1 0 +2 z = 12 => z= 12 2 =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 ⋅ 3⋅12 = 18, 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 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + 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 32. 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 + 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 + x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 2 d 2 = 32 |⋅2
d 2 = 64 | 2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 + x 2 +4 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 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 600. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +4 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 5 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 3 d 4 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 600 |⋅360
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 60

Aber auch E2: 5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.