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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|-12|-3), B(19|24|-11) und C(-5|-1|-14) 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 = ( -5 -12 -3 ) + ( -24 -25 -3 ) = ( -29 -37 -6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-29|-37|-6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 19-( - 5 ) 24-( - 12 ) -11-( - 3 ) ) = ( 24 36 -8 ) und AD = BC = ( -5-19 -1-24 -14-( - 11 ) ) = ( -24 -25 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 36 -8 ) × ( -24 -25 -3 ) = ( 36 · ( -3 ) - ( -8 ) · ( -25 ) -8 · ( -24 ) - 24 · ( -3 ) 24 · ( -25 ) - 36 · ( -24 ) ) = ( -108 -200 192 +72 -600 +864 ) = ( -308 264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 264 264 ) | = (-308) 2 + 2642 + 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-6|3|-11), B(-14|15|-35) und C(-10|2|-2).

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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-( - 6 ) 15-3 -35-( - 11 ) ) = ( -8 12 -24 ) und AC = ( -10-( - 6 ) 2-3 -2-( - 11 ) ) = ( -4 -1 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 12 -24 ) × ( -4 -1 9 ) = ( 12 · 9 - ( -24 ) · ( -1 ) -24 · ( -4 ) - ( -8 ) · 9 -8 · ( -1 ) - 12 · ( -4 ) ) = ( 108 -24 96 +72 8 +48 ) = ( 84 168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 84 168 56 ) | = 84 2 + 1682 + 56 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-1|-5|2), B(11|-5|-7), C(5|-5|-15) und D(-7|-5|-6) und als Spitze S(-4|-2|-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 = ( 11-( - 1 ) -5-( - 5 ) -7-2 ) = ( 12 0 -9 ) und AD = BC = ( 5-11 -5-( - 5 ) -15-( - 7 ) ) = ( -6 0 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 -9 ) × ( -6 0 -8 ) = ( 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -6 ) - 12 · ( -8 ) 12 · 0 - 0 · ( -6 ) ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 2 ) + r ( 12 0 -9 ) + s ( -6 0 -8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 0 -9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 t -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 12 0 -9 ) , denn ( 12 0 -9 ) ( -9 t -12 ) =12(-9) + 0t + (-9)(-12) = -108+0+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -6 0 -8 ) ( -9 t -12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -9 - 1 0 -12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 0 -9 ) × ( -6 0 -8 ) = ( 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -6 ) - 12 · ( -8 ) 12 · 0 - 0 · ( -6 ) ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 -9 ) und ( -6 0 -8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -5 2 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-5|2) erhält man
d = 0(-1) + 1(-5) + 02
also:

+ x 2 = -5

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 ( - 4 )+1 ( - 2 )+0 ( - 2 )+5 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-6|2), B(-9|6|-22), C(-23|13|-22) und als Spitze S(0|17|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 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 = ( -9-( - 1 ) 6-( - 6 ) -22-2 ) = ( -8 12 -24 ) und AC = ( -23-( - 1 ) 13-( - 6 ) -22-2 ) = ( -22 19 -24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 12 -24 ) × ( -22 19 -24 ) = ( 12 · ( -24 ) - ( -24 ) · 19 -24 · ( -22 ) - ( -8 ) · ( -24 ) -8 · 19 - 12 · ( -22 ) ) = ( -288 +456 528 -192 -152 +264 ) = ( 168 336 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 336 112 ) | = 168 2 + 3362 + 112 2 = 153664 = 392 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 ⋅ 392 = 196.

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 -6 2 ) + r ( -8 12 -24 ) + s ( -22 19 -24 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -8 12 -24 ) × ( -22 19 -24 ) = ( 12 · ( -24 ) - ( -24 ) · 19 -24 · ( -22 ) - ( -8 ) · ( -24 ) -8 · 19 - 12 · ( -22 ) ) = ( -288 +456 528 -192 -152 +264 ) = ( 168 336 112 ) = 56⋅ ( 3 6 2 )

Weil der Vektor ( 3 6 2 ) orthogonal zu ( -8 12 -24 ) und ( -22 19 -24 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -6 2 ) ] ( 3 6 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-6|2) erhält man
d = 3(-1) + 6(-6) + 22
also:

3 x 1 +6 x 2 +2 x 3 = -35

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 = | 3 0+6 17+2 5+35 | 3 2 + 6 2 + 2 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 · 196 · 21 = 1372

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(0|-5|0), der Punkt C(6|-2|-2) und die Gerade g: x = ( 0 -5 0 ) +t ( 2 -6 -3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 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 -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 6-0 -2-( - 5 ) -2-0 ) = ( 6 3 -2 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -6 t -3 t ) × ( 6 3 -2 ) = ( -6 t · ( -2 ) - ( -3 t ) · 3 -3 t · 6 - 2 t · ( -2 ) 2 t · 3 - ( -6 t ) · 6 ) = ( 12 t +9 t -18 t +4 t 6 t +36 t ) = ( 21 t -14 t 42 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 21 t -14 t 42 t ) | = 441 t 2 +196 t 2 +1764 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 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | -5 -6 t | 0 -3 t ) ergibt
B1(8|-29|-12).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +2 t | -5 -6 t | 0 -3 t ) ergibt
B2(-8|19|12).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 36 .

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 +3 x 3 = 36 ein.

S1: 2 x +4 0 +3 0 = 36 => x= 36 2 =18, also S1(18|0|0)
S2: 2 0 +4 y +3 0 = 36 => y= 36 4 =9, also S2(0|9|0)
S3: 2 0 +4 0 +3 z = 36 => z= 36 3 =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 ⋅ 18⋅9 = 81, 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 ⋅81⋅12
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +5 x 2 +4 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 10. 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 +5 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 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +5 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 0 +5 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 10 |⋅40
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 20

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-5). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 20 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 + x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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 + 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 + x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +1 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 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 1 , 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 1 d 5 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

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

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