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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-6|7|5), B(2|-5|-19) und C(2|2|2) 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 7 5 ) + ( 0 7 21 ) = ( -6 14 26 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-6|14|26).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 2-( - 6 ) -5-7 -19-5 ) = ( 8 -12 -24 ) und AD = BC = ( 2-2 2-( - 5 ) 2-( - 19 ) ) = ( 0 7 21 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -12 -24 ) × ( 0 7 21 ) = ( -12 · 21 - ( -24 ) · 7 -24 · 0 - 8 · 21 8 · 7 - ( -12 ) · 0 ) = ( -252 +168 0 -168 56 +0 ) = ( -84 -168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -168 56 ) | = (-84) 2 + (-168)2 + 56 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-8|0|-4), B(28|8|20) und C(3|11|-4).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 28-( - 8 ) 8-0 20-( - 4 ) ) = ( 36 8 24 ) und AC = ( 3-( - 8 ) 11-0 -4-( - 4 ) ) = ( 11 11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 8 24 ) × ( 11 11 0 ) = ( 8 · 0 - 24 · 11 24 · 11 - 36 · 0 36 · 11 - 8 · 11 ) = ( 0 -264 264 +0 396 -88 ) = ( -264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 308 ) | = (-264) 2 + 2642 + 308 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(2|-3|-1), B(-25|-9|-19), C(-29|-27|-7) und D(-2|-21|11) und als Spitze S(-18|6|26). 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 = ( -25-2 -9-( - 3 ) -19-( - 1 ) ) = ( -27 -6 -18 ) und AD = BC = ( -29-( - 25 ) -27-( - 9 ) -7-( - 19 ) ) = ( -4 -18 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -4 -18 12 ) = ( -6 · 12 - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · ( -4 ) - ( -27 ) · 12 -27 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -4 ) ) = ( -72 -324 72 +324 486 -24 ) = ( -396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 396 462 ) | = (-396) 2 + 3962 + 462 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 = ( 2 -3 -1 ) + r ( -27 -6 -18 ) + s ( -4 -18 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -4 -18 12 ) = ( -6 · 12 - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · ( -4 ) - ( -27 ) · 12 -27 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -4 ) ) = ( -72 -324 72 +324 486 -24 ) = ( -396 396 462 ) = 66⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( -27 -6 -18 ) und ( -4 -18 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -3 -1 ) ] ( -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(2|-3|-1) erhält man
d = (-6)2 + 6(-3) + 7(-1)
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = -37

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 ( - 18 )+6 6+7 26+37 | ( - 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-5|0), B(-17|-13|2), C(-19|-5|18) und als Spitze S(10|-22|20).
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 = ( -17-( - 1 ) -13-( - 5 ) 2-0 ) = ( -16 -8 2 ) und AC = ( -19-( - 1 ) -5-( - 5 ) 18-0 ) = ( -18 0 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -8 2 ) × ( -18 0 18 ) = ( -8 · 18 - 2 · 0 2 · ( -18 ) - ( -16 ) · 18 -16 · 0 - ( -8 ) · ( -18 ) ) = ( -144 +0 -36 +288 0 -144 ) = ( -144 252 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 252 -144 ) | = (-144) 2 + 2522 + (-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.

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 -5 0 ) + r ( -16 -8 2 ) + s ( -18 0 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -18 0 18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 18 t 18 ) für jedes t orthogonal zu ( -18 0 18 ) , denn ( -18 0 18 ) ( 18 t 18 ) =(-18)18 + 0t + 1818 = -324+0+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -16 -8 2 ) ( 18 t 18 ) = -8⋅t -252 = 0 wird, also t= - 63 2 = - 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 18 - 63 2 18 ) = 1 2 ( 36 -63 36 ) = 9 2 ( 4 -7 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -16 -8 2 ) × ( -18 0 18 ) = ( -8 · 18 - 2 · 0 2 · ( -18 ) - ( -16 ) · 18 -16 · 0 - ( -8 ) · ( -18 ) ) = ( -144 +0 -36 +288 0 -144 ) = ( -144 252 -144 )

= -36⋅ ( 4 -7 4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 4 ) orthogonal zu ( -16 -8 2 ) und ( -18 0 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -5 0 ) ] ( 4 -7 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-5|0) erhält man
d = 4(-1) + (-7)(-5) + 40
also:

4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = 31

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 = | 4 10-7 ( - 22 )+4 20-31 | 4 2 + ( - 7 ) 2 + 4 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(8|-6|6), der Punkt C(1|-13|-6) und die Gerade g: x = ( 8 -6 6 ) +t ( 9 -2 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 = 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 ( 9 t -2 t 6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-8 -13-( - 6 ) -6-6 ) = ( -7 -7 -12 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 t -2 t 6 t ) × ( -7 -7 -12 ) = ( -2 t · ( -12 ) - 6 t · ( -7 ) 6 t · ( -7 ) - 9 t · ( -12 ) 9 t · ( -7 ) - ( -2 t ) · ( -7 ) ) = ( 24 t +42 t -42 t +108 t -63 t -14 t ) = ( 66 t 66 t -77 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 66 t 66 t -77 t ) | = 4356 t 2 +4356 t 2 +5929 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 ( 8 +9 t | -6 -2 t | 6 +6 t ) ergibt
B1(35|-12|24).

2. Fall

- 121t = 363 |: -121

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 8 +9 t | -6 -2 t | 6 +6 t ) ergibt
B2(-19|0|-12).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24 .

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 = 24 ein.

S1: 4 x +3 0 +4 0 = 24 => x= 24 4 =6, also S1(6|0|0)
S2: 4 0 +3 y +4 0 = 24 => y= 24 3 =8, also S2(0|8|0)
S3: 4 0 +3 0 +4 z = 24 => z= 24 4 =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 ⋅ 6⋅8 = 24, 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 ⋅24⋅6
=48

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +5 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 300. 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 +5 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 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 300 |⋅12
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 60

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 60 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 + 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:

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

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

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 1 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 1 = d 3 6

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 3 = 4,5 |⋅6
d 3 = 27 | 3
d = 27 3 = 3

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

Aber auch E2: x 1 + x 2 + x 3 = -3 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: x 1 + x 2 + x 3 = 3 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.