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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(2|-2|2), B(-6|-38|26) und C(-7|-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 = ( 2 -2 2 ) + ( -1 34 -30 ) = ( 1 32 -28 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|32|-28).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-2 -38-( - 2 ) 26-2 ) = ( -8 -36 24 ) und AD = BC = ( -7-( - 6 ) -4-( - 38 ) -4-26 ) = ( -1 34 -30 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 -36 24 ) × ( -1 34 -30 ) = ( -36 · ( -30 ) - 24 · 34 24 · ( -1 ) - ( -8 ) · ( -30 ) -8 · 34 - ( -36 ) · ( -1 ) ) = ( 1080 -816 -24 -240 -272 -36 ) = ( 264 -264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -264 -308 ) | = 264 2 + (-264)2 + (-308) 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(2|-1|4), B(-6|23|-8) und C(-6|2|-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 = ( -6-2 23-( - 1 ) -8-4 ) = ( -8 24 -12 ) und AC = ( -6-2 2-( - 1 ) -1-4 ) = ( -8 3 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 24 -12 ) × ( -8 3 -5 ) = ( 24 · ( -5 ) - ( -12 ) · 3 -12 · ( -8 ) - ( -8 ) · ( -5 ) -8 · 3 - 24 · ( -8 ) ) = ( -120 +36 96 -40 -24 +192 ) = ( -84 56 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 56 168 ) | = (-84) 2 + 562 + 168 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(-3|-3|3), B(9|6|3), C(7|17|3) und D(-5|8|3) und als Spitze S(-2|4|6). 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 = ( 9-( - 3 ) 6-( - 3 ) 3-3 ) = ( 12 9 0 ) und AD = BC = ( 7-9 17-6 3-3 ) = ( -2 11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 9 0 ) × ( -2 11 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 11 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · 11 - 9 · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 132 +18 ) = ( 0 0 150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 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 = ( -3 -3 3 ) + r ( 12 9 0 ) + s ( -2 11 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 9 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 12 t ) für jedes t orthogonal zu ( 12 9 0 ) , denn ( 12 9 0 ) ( -9 12 t ) =12(-9) + 912 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 11 0 ) ( -9 12 t ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 9 0 ) × ( -2 11 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 11 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · 11 - 9 · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 132 +18 ) = ( 0 0 150 )

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 9 0 ) und ( -2 11 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -3 3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-3|3) erhält man
d = 0(-3) + 0(-3) + 13
also:

+ x 3 = 3

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 ( - 2 )+0 4+1 6-3 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|2|4), B(-3|-10|-5), C(-3|-4|-13) und als Spitze S(0|5|0).
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 = ( -3-( - 3 ) -10-2 -5-4 ) = ( 0 -12 -9 ) und AC = ( -3-( - 3 ) -4-2 -13-4 ) = ( 0 -6 -17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -12 -9 ) × ( 0 -6 -17 ) = ( -12 · ( -17 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · 0 - 0 · ( -17 ) 0 · ( -6 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 204 -54 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 = ( -3 2 4 ) + r ( 0 -12 -9 ) + s ( 0 -6 -17 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -12 -9 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 9 -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -12 -9 ) , denn ( 0 -12 -9 ) ( t 9 -12 ) =0t + (-12)9 + (-9)(-12) = 0-108+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -6 -17 ) ( t 9 -12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -12 -9 ) × ( 0 -6 -17 ) = ( -12 · ( -17 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · 0 - 0 · ( -17 ) 0 · ( -6 ) - ( -12 ) · 0 ) = ( 204 -54 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -12 -9 ) und ( 0 -6 -17 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 2 4 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|2|4) erhält man
d = 1(-3) + 02 + 04
also:

x 1 = -3

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 0+0 5+0 0+3 | 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(4|-7|15), der Punkt C(-8|4|0) und die Gerade g: x = ( 4 -7 15 ) +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 = ( -8-4 4-( - 7 ) 0-15 ) = ( -12 11 -15 ) .

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 ) × ( -12 11 -15 ) = ( 3 t · ( -15 ) - ( -6 t ) · 11 -6 t · ( -12 ) - ( -2 t ) · ( -15 ) -2 t · 11 - 3 t · ( -12 ) ) = ( -45 t +66 t 72 t -30 t -22 t +36 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 ( 4 -2 t | -7 +3 t | 15 -6 t ) ergibt
B1(0|-1|3).

2. Fall

- 49t = 98 |: -49

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -2 t | -7 +3 t | 15 -6 t ) ergibt
B2(8|-13|27).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 3 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 3 =10, also S1(10|0|0)
S2: 3 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 3 0 +2 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =6, also S3(0|0|6)

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 ⋅ 10⋅15 = 75, 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅75⋅6
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +4 x 2 +4 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 160. 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 +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 +4 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +4 0 +4 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +4 y +4 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 5 0 +4 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 OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 160 |⋅40
d 2 = 6400 | 2
d1 = - 6400 = -80
d2 = 6400 = 80

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 80

Aber auch E2: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -80 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-16|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 80 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 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 324. 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 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 )

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 3 , 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 3 d 2 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 324 |⋅144
d 3 = 46656 | 3
d = 46656 3 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 36

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.