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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(10|8|-1), B(-6|-4|-1) und C(1|-5|-1) 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 = ( 10 8 -1 ) + ( 7 -1 0 ) = ( 17 7 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(17|7|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-10 -4-8 -1-( - 1 ) ) = ( -16 -12 0 ) und AD = BC = ( 1-( - 6 ) -5-( - 4 ) -1-( - 1 ) ) = ( 7 -1 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -12 0 ) × ( 7 -1 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -1 ) 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · ( -1 ) - ( -12 ) · 7 ) = ( 0+0 0+0 16 +84 ) = ( 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-4|0|1), B(-8|-8|-7) und C(-6|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 ) -8-0 -7-1 ) = ( -4 -8 -8 ) und AC = ( -6-( - 4 ) 2-0 0-1 ) = ( -2 2 -1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -8 -8 ) × ( -2 2 -1 ) = ( -8 · ( -1 ) - ( -8 ) · 2 -8 · ( -2 ) - ( -4 ) · ( -1 ) -4 · 2 - ( -8 ) · ( -2 ) ) = ( 8 +16 16 -4 -8 -16 ) = ( 24 12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 12 -24 ) | = 24 2 + 122 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|3|10), B(3|-15|-17), C(23|-9|-30) und D(17|9|-3) und als Spitze S(-10|24|-19). 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 ) -15-3 -17-10 ) = ( 6 -18 -27 ) und AD = BC = ( 23-3 -9-( - 15 ) -30-( - 17 ) ) = ( 20 6 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -18 -27 ) × ( 20 6 -13 ) = ( -18 · ( -13 ) - ( -27 ) · 6 -27 · 20 - 6 · ( -13 ) 6 · 6 - ( -18 ) · 20 ) = ( 234 +162 -540 +78 36 +360 ) = ( 396 -462 396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 396 -462 396 ) | = 396 2 + (-462)2 + 396 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 10 ) + r ( 6 -18 -27 ) + s ( 20 6 -13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -18 -27 ) × ( 20 6 -13 ) = ( -18 · ( -13 ) - ( -27 ) · 6 -27 · 20 - 6 · ( -13 ) 6 · 6 - ( -18 ) · 20 ) = ( 234 +162 -540 +78 36 +360 ) = ( 396 -462 396 ) = -66⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( 6 -18 -27 ) und ( 20 6 -13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 3 10 ) ] ( -6 7 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|3|10) erhält man
d = (-6)(-3) + 73 + (-6)10
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = -21

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 ( - 10 )+7 24-6 ( - 19 )+21 | ( - 6 ) 2 + 7 2 + ( - 6 ) 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|5|2), B(0|-7|-7), C(0|-1|-15) und als Spitze S(3|8|-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 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 = ( 0-0 -7-5 -7-2 ) = ( 0 -12 -9 ) und AC = ( 0-0 -1-5 -15-2 ) = ( 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 = ( 0 5 2 ) + 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 - ( 0 5 2 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|5|2) erhält man
d = 10 + 05 + 02
also:

x 1 = 0

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 3+0 8+0 ( - 2 )-0 | 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(13|-22|-1), der Punkt C(1|7|14) und die Gerade g: x = ( 13 -22 -1 ) +t ( -6 9 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 = 181,5 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 ( -6 t 9 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-13 7-( - 22 ) 14-( - 1 ) ) = ( -12 29 15 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t 9 t 2 t ) × ( -12 29 15 ) = ( 9 t · 15 - 2 t · 29 2 t · ( -12 ) - ( -6 t ) · 15 -6 t · 29 - 9 t · ( -12 ) ) = ( 135 t -58 t -24 t +90 t -174 t +108 t ) = ( 77 t 66 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 77 t 66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 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 181,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 181,5 |⋅2

| 121t | = 363

1. Fall

121t = 363 |: 121

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | -22 +9 t | -1 +2 t ) ergibt
B1(-5|5|5).

2. Fall

- 121t = 363 |: -121

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 13 -6 t | -22 +9 t | -1 +2 t ) ergibt
B2(31|-49|-7).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +1 0 +4 0 = 12 => x= 12 2 =6, also S1(6|0|0)
S2: 2 0 +1 y +4 0 = 12 => y=12=12, also S2(0|12|0)
S3: 2 0 +1 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 ⋅ 6⋅12 = 36, 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 ⋅36⋅3
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +2 x 2 + 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 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:

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

S1: 1 x +2 0 +1 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +2 y +1 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 1 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 1 d 2 = 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: x 1 +2 x 2 + x 3 = 4

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 6. 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 + 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 2 x 1 + x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 1 d 3 = d 3 36

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 36 d 3 = 6 |⋅36
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 + x 2 +3 x 3 = 6

Aber auch E2: 2 x 1 + x 2 +3 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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