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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(6|1|6), B(42|9|30) und C(-1|8|-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 = ( 6 1 6 ) + ( -43 -1 -36 ) = ( -37 0 -30 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-37|0|-30).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 42-6 9-1 30-6 ) = ( 36 8 24 ) und AD = BC = ( -1-42 8-9 -6-30 ) = ( -43 -1 -36 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 8 24 ) × ( -43 -1 -36 ) = ( 8 · ( -36 ) - 24 · ( -1 ) 24 · ( -43 ) - 36 · ( -36 ) 36 · ( -1 ) - 8 · ( -43 ) ) = ( -288 +24 -1032 +1296 -36 +344 ) = ( -264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 308 ) | = (-264) 2 + 2642 + 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(-4|-4|-3), B(8|4|-27) und C(-2|2|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 = ( 8-( - 4 ) 4-( - 4 ) -27-( - 3 ) ) = ( 12 8 -24 ) und AC = ( -2-( - 4 ) 2-( - 4 ) 0-( - 3 ) ) = ( 2 6 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 -24 ) × ( 2 6 3 ) = ( 8 · 3 - ( -24 ) · 6 -24 · 2 - 12 · 3 12 · 6 - 8 · 2 ) = ( 24 +144 -48 -36 72 -16 ) = ( 168 -84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 -84 56 ) | = 168 2 + (-84)2 + 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(-5|-1|8), B(-5|11|-1), C(-5|9|-12) und D(-5|-3|-3) und als Spitze S(-2|0|1). 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 = ( -5-( - 5 ) 11-( - 1 ) -1-8 ) = ( 0 12 -9 ) und AD = BC = ( -5-( - 5 ) 9-11 -12-( - 1 ) ) = ( 0 -2 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 12 -9 ) × ( 0 -2 -11 ) = ( 12 · ( -11 ) - ( -9 ) · ( -2 ) -9 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 12 · 0 ) = ( -132 -18 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 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 = ( -5 -1 8 ) + r ( 0 12 -9 ) + s ( 0 -2 -11 )

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 + 129 + (-9)12 = 0+108-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -2 -11 ) ( 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 -2 -11 ) = ( 12 · ( -11 ) - ( -9 ) · ( -2 ) -9 · 0 - 0 · ( -11 ) 0 · ( -2 ) - 12 · 0 ) = ( -132 -18 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 12 -9 ) und ( 0 -2 -11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -1 8 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-1|8) erhält man
d = 1(-5) + 0(-1) + 08
also:

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

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|-2|-4), B(6|16|-13), C(18|10|-17) und als Spitze S(15|1|12).
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 = ( 6-0 16-( - 2 ) -13-( - 4 ) ) = ( 6 18 -9 ) und AC = ( 18-0 10-( - 2 ) -17-( - 4 ) ) = ( 18 12 -13 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -126 -84 -252 ) | = (-126) 2 + (-84)2 + (-252) 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 -2 -4 ) + r ( 6 18 -9 ) + s ( 18 12 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 3 2 6 ) orthogonal zu ( 6 18 -9 ) und ( 18 12 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -2 -4 ) ] ( 3 2 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-2|-4) erhält man
d = 30 + 2(-2) + 6(-4)
also:

3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = -28

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 15+2 1+6 12+28 | 3 2 + 2 2 + 6 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(11|7|1), der Punkt C(-6|3|11) und die Gerade g: x = ( 11 7 1 ) +t ( -8 -4 1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 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 ( -8 t -4 t t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-11 3-7 11-1 ) = ( -17 -4 10 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 t -4 t t ) × ( -17 -4 10 ) = ( -4 t · 10 - t · ( -4 ) t · ( -17 ) - ( -8 t ) · 10 -8 t · ( -4 ) - ( -4 t ) · ( -17 ) ) = ( -40 t +4 t -17 t +80 t 32 t -68 t ) = ( -36 t 63 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t 63 t -36 t ) | = 1296 t 2 +3969 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 11 -8 t | 7 -4 t | 1 +1 t ) ergibt
B1(-5|-1|3).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 11 -8 t | 7 -4 t | 1 +1 t ) ergibt
B2(27|15|-1).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅12 = 72, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅72⋅15
=360

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 4 x +2 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 2 d 1 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 4 |⋅4
d 2 = 16 | 2
d1 = - 16 = -4
d2 = 16 = 4

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-1|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = 4 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 +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 4.5. 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:

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

S1: 5 x +5 0 +5 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 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 5 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 5 d 5 d 5 = d 3 750

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 750 d 3 = 4,5 |⋅750
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

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

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

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