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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|4|3), B(15|4|19) und C(4|4|-4) 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 4 3 ) + ( -11 0 -23 ) = ( -8 4 -20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-8|4|-20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 15-3 4-4 19-3 ) = ( 12 0 16 ) und AD = BC = ( 4-15 4-4 -4-19 ) = ( -11 0 -23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 16 ) × ( -11 0 -23 ) = ( 0 · ( -23 ) - 16 · 0 16 · ( -11 ) - 12 · ( -23 ) 12 · 0 - 0 · ( -11 ) ) = ( 0+0 -176 +276 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(6|-7|5), B(-2|-3|-3) und C(4|-3|0).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -2-6 -3-( - 7 ) -3-5 ) = ( -8 4 -8 ) und AC = ( 4-6 -3-( - 7 ) 0-5 ) = ( -2 4 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 4 -8 ) × ( -2 4 -5 ) = ( 4 · ( -5 ) - ( -8 ) · 4 -8 · ( -2 ) - ( -8 ) · ( -5 ) -8 · 4 - 4 · ( -2 ) ) = ( -20 +32 16 -40 -32 +8 ) = ( 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|-2|1), B(-7|-14|19), C(-25|-2|23) und D(-21|10|5) und als Spitze S(6|25|21). 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 = ( -7-( - 3 ) -14-( - 2 ) 19-1 ) = ( -4 -12 18 ) und AD = BC = ( -25-( - 7 ) -2-( - 14 ) 23-19 ) = ( -18 12 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -12 18 ) × ( -18 12 4 ) = ( -12 · 4 - 18 · 12 18 · ( -18 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 12 - ( -12 ) · ( -18 ) ) = ( -48 -216 -324 +16 -48 -216 ) = ( -264 -308 -264 ) .

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

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 = ( -3 -2 1 ) + r ( -4 -12 18 ) + s ( -18 12 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -4 -12 18 ) × ( -18 12 4 ) = ( -12 · 4 - 18 · 12 18 · ( -18 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 12 - ( -12 ) · ( -18 ) ) = ( -48 -216 -324 +16 -48 -216 ) = ( -264 -308 -264 ) = -44⋅ ( 6 7 6 )

Weil der Vektor ( 6 7 6 ) orthogonal zu ( -4 -12 18 ) und ( -18 12 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -2 1 ) ] ( 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(-3|-2|1) erhält man
d = 6(-3) + 7(-2) + 61
also:

6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = -26

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 6+7 25+6 21+26 | 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 · 484 · 33 = 5324

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-2|-5), B(-1|-11|-17), C(-1|-19|-11) und als Spitze S(2|-6|-2).
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 = ( -1-( - 1 ) -11-( - 2 ) -17-( - 5 ) ) = ( 0 -9 -12 ) und AC = ( -1-( - 1 ) -19-( - 2 ) -11-( - 5 ) ) = ( 0 -17 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -9 -12 ) × ( 0 -17 -6 ) = ( -9 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -17 ) -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( 54 -204 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 = ( -1 -2 -5 ) + r ( 0 -9 -12 ) + s ( 0 -17 -6 )

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 -17 -6 ) ( 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 -17 -6 ) = ( -9 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -17 ) -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( 54 -204 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -9 -12 ) und ( 0 -17 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -2 -5 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-2|-5) erhält man
d = 1(-1) + 0(-2) + 0(-5)
also:

x 1 = -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 = | 1 2+0 ( - 6 )+0 ( - 2 )+1 | 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(-5|17|31), der Punkt C(10|5|2) und die Gerade g: x = ( -5 17 31 ) +t ( 2 -6 -9 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 242 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 -6 t -9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 10-( - 5 ) 5-17 2-31 ) = ( 15 -12 -29 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -6 t -9 t ) × ( 15 -12 -29 ) = ( -6 t · ( -29 ) - ( -9 t ) · ( -12 ) -9 t · 15 - 2 t · ( -29 ) 2 t · ( -12 ) - ( -6 t ) · 15 ) = ( 174 t -108 t -135 t +58 t -24 t +90 t ) = ( 66 t -77 t 66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 66 t -77 t 66 t ) | = 4356 t 2 +5929 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 +2 t | 17 -6 t | 31 -9 t ) ergibt
B1(3|-7|-5).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 +2 t | 17 -6 t | 31 -9 t ) ergibt
B2(-13|41|67).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 .

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 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 60 ein.

S1: 5 x +4 0 +5 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +4 y +5 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +4 0 +5 z = 60 => z= 60 5 =12, also S3(0|0|12)

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 ⋅ 12⋅15 = 90, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅12
=360

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +3 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 18. 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:

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

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

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 3 d 3 = d 2 18

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 2 = 18 |⋅18
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 18

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +5 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:

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

S1: 1 x +5 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 1 0 +5 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 1 d 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 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 1 d 5 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: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 15

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

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