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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|8|-1), B(-10|-16|-13) und C(-10|5|-6) 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 8 -1 ) + ( 0 21 7 ) = ( -2 29 6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-2|29|6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -10-( - 2 ) -16-8 -13-( - 1 ) ) = ( -8 -24 -12 ) und AD = BC = ( -10-( - 10 ) 5-( - 16 ) -6-( - 13 ) ) = ( 0 21 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -24 -12 ) × ( 0 21 7 ) = ( -24 · 7 - ( -12 ) · 21 -12 · 0 - ( -8 ) · 7 -8 · 21 - ( -24 ) · 0 ) = ( -168 +252 0 +56 -168 +0 ) = ( 84 56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 56 -168 ) | = 84 2 + 562 + (-168) 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-19|9|-13), B(17|1|11) und C(1|-4|-7).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 17-( - 19 ) 1-9 11-( - 13 ) ) = ( 36 -8 24 ) und AC = ( 1-( - 19 ) -4-9 -7-( - 13 ) ) = ( 20 -13 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -8 24 ) × ( 20 -13 6 ) = ( -8 · 6 - 24 · ( -13 ) 24 · 20 - 36 · 6 36 · ( -13 ) - ( -8 ) · 20 ) = ( -48 +312 480 -216 -468 +160 ) = ( 264 264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 -308 ) | = 264 2 + 2642 + (-308) 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(3|4|-5), B(-3|4|-13), C(-11|4|-7) und D(-5|4|1) und als Spitze S(-1|7|-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 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 = ( -3-3 4-4 -13-( - 5 ) ) = ( -6 0 -8 ) und AD = BC = ( -11-( - 3 ) 4-4 -7-( - 13 ) ) = ( -8 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 0 -8 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · ( -8 ) - ( -6 ) · 6 -6 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 64 +36 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.

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 4 -5 ) + r ( -6 0 -8 ) + s ( -8 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 0 -8 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -8 t 6 ) für jedes t orthogonal zu ( -6 0 -8 ) , denn ( -6 0 -8 ) ( -8 t 6 ) =(-6)(-8) + 0t + (-8)6 = 48+0-48=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -8 0 6 ) ( -8 t 6 ) = 0⋅t +100 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -8 - 1 0 6 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -6 0 -8 ) × ( -8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · ( -8 ) - ( -6 ) · 6 -6 · 0 - 0 · ( -8 ) ) = ( 0+0 64 +36 0+0 ) = ( 0 100 0 )

= 100⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -6 0 -8 ) und ( -8 0 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 4 -5 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|4|-5) erhält man
d = 03 + 14 + 0(-5)
also:

+ x 2 = 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 = | 0 ( - 1 )+1 7+0 ( - 2 )-4 | 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 · 100 · 3 = 100

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|5|1), B(18|-4|7), C(12|-8|19) und als Spitze S(3|21|16).
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 = ( 18-0 -4-5 7-1 ) = ( 18 -9 6 ) und AC = ( 12-0 -8-5 19-1 ) = ( 12 -13 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 -9 6 ) × ( 12 -13 18 ) = ( -9 · 18 - 6 · ( -13 ) 6 · 12 - 18 · 18 18 · ( -13 ) - ( -9 ) · 12 ) = ( -162 +78 72 -324 -234 +108 ) = ( -84 -252 -126 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -252 -126 ) | = (-84) 2 + (-252)2 + (-126) 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 5 1 ) + r ( 18 -9 6 ) + s ( 12 -13 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 -9 6 ) × ( 12 -13 18 ) = ( -9 · 18 - 6 · ( -13 ) 6 · 12 - 18 · 18 18 · ( -13 ) - ( -9 ) · 12 ) = ( -162 +78 72 -324 -234 +108 ) = ( -84 -252 -126 ) = -42⋅ ( 2 6 3 )

Weil der Vektor ( 2 6 3 ) orthogonal zu ( 18 -9 6 ) und ( 12 -13 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 5 1 ) ] ( 2 6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|5|1) erhält man
d = 20 + 65 + 31
also:

2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = 33

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 = | 2 3+6 21+3 16-33 | 2 2 + 6 2 + 3 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|-5|-1), der Punkt C(-3|7|6) und die Gerade g: x = ( 4 -5 -1 ) +t ( 9 -6 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 = 302,5 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 ( 9 t -6 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-4 7-( - 5 ) 6-( - 1 ) ) = ( -7 12 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 t -6 t 2 t ) × ( -7 12 7 ) = ( -6 t · 7 - 2 t · 12 2 t · ( -7 ) - 9 t · 7 9 t · 12 - ( -6 t ) · ( -7 ) ) = ( -42 t -24 t -14 t -63 t 108 t -42 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 302,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 302,5 |⋅2

| 121t | = 605

1. Fall

121t = 605 |: 121

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +9 t | -5 -6 t | -1 +2 t ) ergibt
B1(49|-35|9).

2. Fall

- 121t = 605 |: -121

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 +9 t | -5 -6 t | -1 +2 t ) ergibt
B2(-41|25|-11).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +1 0 = 12 => x= 12 2 =6, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +4 y +1 0 = 12 => y= 12 4 =3, also S2(0|3|0)
S3: 2 0 +4 0 +1 z = 12 => z=12=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 ⋅ 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅12
=36

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 x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 144. 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 144 |⋅16
d 2 = 2304 | 2
d1 = - 2304 = -48
d2 = 2304 = 48

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 48

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -48 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-24). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 48 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 +4 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4800. 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 +4 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 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +3 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 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 5 d 4 , 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 5 d 4 d 3 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 4800 |⋅360
d 3 = 1728000 | 3
d = 1728000 3 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 120

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-24|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-40). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 120 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.