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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-1|-4|4), B(-17|28|8) und C(3|-3|12) 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 = ( -1 -4 4 ) + ( 20 -31 4 ) = ( 19 -35 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(19|-35|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -17-( - 1 ) 28-( - 4 ) 8-4 ) = ( -16 32 4 ) und AD = BC = ( 3-( - 17 ) -3-28 12-8 ) = ( 20 -31 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 32 4 ) × ( 20 -31 4 ) = ( 32 · 4 - 4 · ( -31 ) 4 · 20 - ( -16 ) · 4 -16 · ( -31 ) - 32 · 20 ) = ( 128 +124 80 +64 496 -640 ) = ( 252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 -144 ) | = 252 2 + 1442 + (-144) 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(0|-3|8), B(-16|-7|-24) und C(0|-12|-1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -16-0 -7-( - 3 ) -24-8 ) = ( -16 -4 -32 ) und AC = ( 0-0 -12-( - 3 ) -1-8 ) = ( 0 -9 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -4 -32 ) × ( 0 -9 -9 ) = ( -4 · ( -9 ) - ( -32 ) · ( -9 ) -32 · 0 - ( -16 ) · ( -9 ) -16 · ( -9 ) - ( -4 ) · 0 ) = ( 36 -288 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|-1|2), B(-4|-7|2), C(2|-15|2) und D(10|-9|2) und als Spitze S(7|-5|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 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 = ( -4-4 -7-( - 1 ) 2-2 ) = ( -8 -6 0 ) und AD = BC = ( 2-( - 4 ) -15-( - 7 ) 2-2 ) = ( 6 -8 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -6 0 ) × ( 6 -8 0 ) = ( -6 · 0 - 0 · ( -8 ) 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · ( -8 ) - ( -6 ) · 6 ) = ( 0+0 0+0 64 +36 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 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 = ( 4 -1 2 ) + r ( -8 -6 0 ) + s ( 6 -8 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -8 -6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 6 -8 t ) für jedes t orthogonal zu ( -8 -6 0 ) , denn ( -8 -6 0 ) ( 6 -8 t ) =(-8)6 + (-6)(-8) + 0t = -48+48+0=0.

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

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

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

= 100⋅ ( 0 0 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-1|2) erhält man
d = 04 + 0(-1) + 12
also:

+ x 3 = 2

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 7+0 ( - 5 )+1 5-2 | 0 2 + 0 2 + 1 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(-6|-4|7), B(2|32|-17), C(22|45|-11) und als Spitze S(-13|25|28).
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 = ( 2-( - 6 ) 32-( - 4 ) -17-7 ) = ( 8 36 -24 ) und AC = ( 22-( - 6 ) 45-( - 4 ) -11-7 ) = ( 28 49 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 36 -24 ) × ( 28 49 -18 ) = ( 36 · ( -18 ) - ( -24 ) · 49 -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · 49 - 36 · 28 ) = ( -648 +1176 -672 +144 392 -1008 ) = ( 528 -528 -616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 528 -528 -616 ) | = 528 2 + (-528)2 + (-616) 2 = 937024 = 968 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 ⋅ 968 = 484.

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 = ( -6 -4 7 ) + r ( 8 36 -24 ) + s ( 28 49 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 36 -24 ) × ( 28 49 -18 ) = ( 36 · ( -18 ) - ( -24 ) · 49 -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · 49 - 36 · 28 ) = ( -648 +1176 -672 +144 392 -1008 ) = ( 528 -528 -616 ) = -88⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( 8 36 -24 ) und ( 28 49 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -6 -4 7 ) ] ( -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(-6|-4|7) erhält man
d = (-6)(-6) + 6(-4) + 77
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = 61

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 ( - 13 )+6 25+7 28-61 | ( - 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 · 484 · 33 = 5324

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(1|-3|10), der Punkt C(9|2|7) und die Gerade g: x = ( 1 -3 10 ) +t ( 2 3 -6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 49 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 3 t -6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 9-1 2-( - 3 ) 7-10 ) = ( 8 5 -3 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t 3 t -6 t ) × ( 8 5 -3 ) = ( 3 t · ( -3 ) - ( -6 t ) · 5 -6 t · 8 - 2 t · ( -3 ) 2 t · 5 - 3 t · 8 ) = ( -9 t +30 t -48 t +6 t 10 t -24 t ) = ( 21 t -42 t -14 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 21 t -42 t -14 t ) | = 441 t 2 +1764 t 2 +196 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 49 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 49 |⋅2

| 49t | = 98

1. Fall

49t = 98 |: 49

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +2 t | -3 +3 t | 10 -6 t ) ergibt
B1(5|3|-2).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +2 t | -3 +3 t | 10 -6 t ) ergibt
B2(-3|-9|22).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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 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:

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 = 32 |⋅18
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 24

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 24 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 +2 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. 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 +2 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 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 1 d 2 d 4 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

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

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