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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(8|4|8), B(0|0|0) und C(4|-1|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 = ( 8 4 8 ) + ( 4 -1 1 ) = ( 12 3 9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(12|3|9).

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

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -4 -8 ) × ( 4 -1 1 ) = ( -4 · 1 - ( -8 ) · ( -1 ) -8 · 4 - ( -8 ) · 1 -8 · ( -1 ) - ( -4 ) · 4 ) = ( -4 -8 -32 +8 8 +16 ) = ( -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(-2|5|3), B(14|-27|7) und C(-2|-4|12).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 14-( - 2 ) -27-5 7-3 ) = ( 16 -32 4 ) und AC = ( -2-( - 2 ) -4-5 12-3 ) = ( 0 -9 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -32 4 ) × ( 0 -9 9 ) = ( -32 · 9 - 4 · ( -9 ) 4 · 0 - 16 · 9 16 · ( -9 ) - ( -32 ) · 0 ) = ( -288 +36 0 -144 -144 +0 ) = ( -252 -144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 -144 -144 ) | = (-252) 2 + (-144)2 + (-144) 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(-4|3|-4), B(20|15|-1), C(22|7|15) und D(-2|-5|12) und als Spitze S(9|-22|-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 = ( 20-( - 4 ) 15-3 -1-( - 4 ) ) = ( 24 12 3 ) und AD = BC = ( 22-20 7-15 15-( - 1 ) ) = ( 2 -8 16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 12 3 ) × ( 2 -8 16 ) = ( 12 · 16 - 3 · ( -8 ) 3 · 2 - 24 · 16 24 · ( -8 ) - 12 · 2 ) = ( 192 +24 6 -384 -192 -24 ) = ( 216 -378 -216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 -378 -216 ) | = 216 2 + (-378)2 + (-216) 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 3 -4 ) + r ( 24 12 3 ) + s ( 2 -8 16 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 24 12 3 ) × ( 2 -8 16 ) = ( 12 · 16 - 3 · ( -8 ) 3 · 2 - 24 · 16 24 · ( -8 ) - 12 · 2 ) = ( 192 +24 6 -384 -192 -24 ) = ( 216 -378 -216 ) = 54⋅ ( 4 -7 -4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 -4 ) orthogonal zu ( 24 12 3 ) und ( 2 -8 16 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -4 3 -4 ) ] ( 4 -7 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-4|3|-4) erhält man
d = 4(-4) + (-7)3 + (-4)(-4)
also:

4 x 1 -7 x 2 -4 x 3 = -21

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 9-7 ( - 22 )-4 ( - 8 )+21 | 4 2 + ( - 7 ) 2 + ( - 4 ) 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|0|-5), B(-11|4|-23), C(1|22|-27) und als Spitze S(28|-9|-25).
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 = ( -11-1 4-0 -23-( - 5 ) ) = ( -12 4 -18 ) und AC = ( 1-1 22-0 -27-( - 5 ) ) = ( 0 22 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 4 -18 ) × ( 0 22 -22 ) = ( 4 · ( -22 ) - ( -18 ) · 22 -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · 22 - 4 · 0 ) = ( -88 +396 0 -264 -264 +0 ) = ( 308 -264 -264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 -264 ) | = 308 2 + (-264)2 + (-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.

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 = ( 1 0 -5 ) + r ( -12 4 -18 ) + s ( 0 22 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 22 -22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 22 22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 22 -22 ) , denn ( 0 22 -22 ) ( t 22 22 ) =0t + 2222 + (-22)22 = 0+484-484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -12 4 -18 ) ( t 22 22 ) = -12⋅t -308 = 0 wird, also t= - 77 3 = - 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( - 77 3 22 22 ) = 1 3 ( -77 66 66 ) = -11 3 ( 7 -6 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 4 -18 ) × ( 0 22 -22 ) = ( 4 · ( -22 ) - ( -18 ) · 22 -18 · 0 - ( -12 ) · ( -22 ) -12 · 22 - 4 · 0 ) = ( -88 +396 0 -264 -264 +0 ) = ( 308 -264 -264 )

= 44⋅ ( 7 -6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 -6 ) orthogonal zu ( -12 4 -18 ) und ( 0 22 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 0 -5 ) ] ( 7 -6 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|0|-5) erhält man
d = 71 + (-6)0 + (-6)(-5)
also:

7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 37

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 = | 7 28-6 ( - 9 )-6 ( - 25 )-37 | 7 2 + ( - 6 ) 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|1|-7), der Punkt C(-6|3|-2) und die Gerade g: x = ( -2 1 -7 ) +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 = 22,5 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 ( -1 t 2 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-( - 2 ) 3-1 -2-( - 7 ) ) = ( -4 2 5 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 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 22,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 22,5 |⋅2

| 9t | = 45

1. Fall

9t = 45 |: 9

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -1 t | 1 +2 t | -7 +2 t ) ergibt
B1(-7|11|3).

2. Fall

- 9t = 45 |: -9

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -1 t | 1 +2 t | -7 +2 t ) ergibt
B2(3|-9|-17).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +4 0 +4 0 = 12 => x= 3 4 =0.75, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +4 y +4 0 = 12 => y= 3 4 =0.75, also S2(0|3|0)
S3: 4 0 +4 0 +4 z = 12 => z= 3 4 =0.75, 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: 5 x 1 +2 x 2 +5 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 80. 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 +5 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 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 5 d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 80 |⋅20
d 2 = 1600 | 2
d1 = - 1600 = -40
d2 = 1600 = 40

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 40

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -40 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 40 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 +2 x 2 +3 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:

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

S1: 4 x +2 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 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 d 4 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 2 d 3 = 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: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 12

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

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