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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(9|-5|4), B(-15|3|-32) und C(9|6|-7) 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 = ( 9 -5 4 ) + ( 24 3 25 ) = ( 33 -2 29 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(33|-2|29).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -15-9 3-( - 5 ) -32-4 ) = ( -24 8 -36 ) und AD = BC = ( 9-( - 15 ) 6-3 -7-( - 32 ) ) = ( 24 3 25 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 308 -264 -264 ) | = 308 2 + (-264)2 + (-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(3|1|0), B(-1|9|-8) und C(1|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 = ( -1-3 9-1 -8-0 ) = ( -4 8 -8 ) und AC = ( 1-3 2-1 2-0 ) = ( -2 1 2 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 24 12 ) | = 24 2 + 242 + 12 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(-5|-10|3), B(-1|22|-13), C(16|32|-9) und D(12|0|7) und als Spitze S(-8|11|24). 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 = ( -1-( - 5 ) 22-( - 10 ) -13-3 ) = ( 4 32 -16 ) und AD = BC = ( 16-( - 1 ) 32-22 -9-( - 13 ) ) = ( 17 10 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 32 -16 ) × ( 17 10 4 ) = ( 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · 17 - 4 · 4 4 · 10 - 32 · 17 ) = ( 128 +160 -272 -16 40 -544 ) = ( 288 -288 -504 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 288 -288 -504 ) | = 288 2 + (-288)2 + (-504) 2 = 419904 = 648 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 648.

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 -10 3 ) + r ( 4 32 -16 ) + s ( 17 10 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 4 32 -16 ) × ( 17 10 4 ) = ( 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · 17 - 4 · 4 4 · 10 - 32 · 17 ) = ( 128 +160 -272 -16 40 -544 ) = ( 288 -288 -504 ) = -72⋅ ( -4 4 7 )

Weil der Vektor ( -4 4 7 ) orthogonal zu ( 4 32 -16 ) und ( 17 10 4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -10 3 ) ] ( -4 4 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-10|3) erhält man
d = (-4)(-5) + 4(-10) + 73
also:

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

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 ( - 8 )+4 11+7 24-1 | ( - 4 ) 2 + 4 2 + 7 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 · 648 · 27 = 5832

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|0|1), B(-5|-16|13), C(-5|-14|24) und als Spitze S(-2|-1|8).
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 = ( -5-( - 5 ) -16-0 13-1 ) = ( 0 -16 12 ) und AC = ( -5-( - 5 ) -14-0 24-1 ) = ( 0 -14 23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 -14 23 ) = ( -16 · 23 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - 0 · 23 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( -368 +168 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -200 0 0 ) | = (-200) 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 = ( -5 0 1 ) + r ( 0 -16 12 ) + s ( 0 -14 23 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -16 12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -12 -16 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -16 12 ) , denn ( 0 -16 12 ) ( t -12 -16 ) =0t + (-16)(-12) + 12(-16) = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -14 23 ) ( t -12 -16 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 -12 -16 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 -14 23 ) = ( -16 · 23 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - 0 · 23 0 · ( -14 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( -368 +168 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 )

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -16 12 ) und ( 0 -14 23 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 0 1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|0|1) erhält man
d = 1(-5) + 00 + 01
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 ( - 1 )+0 8+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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-11|-3|13), der Punkt C(1|-10|6) und die Gerade g: x = ( -11 -3 13 ) +t ( -6 -2 9 ) . 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 -2 t 9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-( - 11 ) -10-( - 3 ) 6-13 ) = ( 12 -7 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 t -2 t 9 t ) × ( 12 -7 -7 ) = ( -2 t · ( -7 ) - 9 t · ( -7 ) 9 t · 12 - ( -6 t ) · ( -7 ) -6 t · ( -7 ) - ( -2 t ) · 12 ) = ( 14 t +63 t 108 t -42 t 42 t +24 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 ( -11 -6 t | -3 -2 t | 13 +9 t ) ergibt
B1(-29|-9|40).

2. Fall

- 121t = 363 |: -121

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -11 -6 t | -3 -2 t | 13 +9 t ) ergibt
B2(7|3|-14).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 5 x +4 0 +2 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +4 y +2 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +4 0 +2 z = 60 => z= 60 2 =30, also S3(0|0|30)

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⋅15 = 90, 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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅30
=900

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 1200. 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 = 1200 |⋅12
d 2 = 14400 | 2
d1 = - 14400 = -120
d2 = 14400 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 120

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-60|0|0), S2(0|-40|0) und S3(0|0|-24). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 120 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 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 8. 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 +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 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +3 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 4 0 +3 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 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 3 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 3 = d 3 216

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 216 d 3 = 8 |⋅216
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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