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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|4|-3), B(34|28|-11) und C(0|-2|-12) 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 4 -3 ) + ( -34 -30 -1 ) = ( -36 -26 -4 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-36|-26|-4).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 34-( - 2 ) 28-4 -11-( - 3 ) ) = ( 36 24 -8 ) und AD = BC = ( 0-34 -2-28 -12-( - 11 ) ) = ( -34 -30 -1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 308 -264 ) | = (-264) 2 + 3082 + (-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(-2|16|-11), B(-2|0|1) und C(-2|7|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 = ( -2-( - 2 ) 0-16 1-( - 11 ) ) = ( 0 -16 12 ) und AC = ( -2-( - 2 ) 7-16 2-( - 11 ) ) = ( 0 -9 13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 -9 13 ) = ( -16 · 13 - 12 · ( -9 ) 12 · 0 - 0 · 13 0 · ( -9 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( -208 +108 0+0 0+0 ) = ( -100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -100 0 0 ) | = (-100) 2 + 02 + 0 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(4|-4|2), B(-32|20|-6), C(-45|14|-26) und D(-9|-10|-18) und als Spitze S(11|17|-27). 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 = ( -32-4 20-( - 4 ) -6-2 ) = ( -36 24 -8 ) und AD = BC = ( -45-( - 32 ) 14-20 -26-( - 6 ) ) = ( -13 -6 -20 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 24 -8 ) × ( -13 -6 -20 ) = ( 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) -8 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -20 ) -36 · ( -6 ) - 24 · ( -13 ) ) = ( -480 -48 104 -720 216 +312 ) = ( -528 -616 528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -528 -616 528 ) | = (-528) 2 + (-616)2 + 528 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 968.

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 = ( 4 -4 2 ) + r ( -36 24 -8 ) + s ( -13 -6 -20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -36 24 -8 ) × ( -13 -6 -20 ) = ( 24 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -6 ) -8 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -20 ) -36 · ( -6 ) - 24 · ( -13 ) ) = ( -480 -48 104 -720 216 +312 ) = ( -528 -616 528 ) = -88⋅ ( 6 7 -6 )

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( -36 24 -8 ) und ( -13 -6 -20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -4 2 ) ] ( 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(4|-4|2) erhält man
d = 64 + 7(-4) + (-6)2
also:

6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = -16

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 11+7 17-6 ( - 27 )+16 | 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|-1|-4), B(-11|-1|-16), C(-19|-1|-10) und als Spitze S(-6|2|-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 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 = ( -11-( - 2 ) -1-( - 1 ) -16-( - 4 ) ) = ( -9 0 -12 ) und AC = ( -19-( - 2 ) -1-( - 1 ) -10-( - 4 ) ) = ( -17 0 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 0 -12 ) × ( -17 0 -6 ) = ( 0 · ( -6 ) - ( -12 ) · 0 -12 · ( -17 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · 0 - 0 · ( -17 ) ) = ( 0+0 204 -54 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 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 = ( -2 -1 -4 ) + r ( -9 0 -12 ) + s ( -17 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -9 0 -12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -12 t 9 ) für jedes t orthogonal zu ( -9 0 -12 ) , denn ( -9 0 -12 ) ( -12 t 9 ) =(-9)(-12) + 0t + (-12)9 = 108+0-108=0.

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

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

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

= 150⋅ ( 0 1 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-1|-4) erhält man
d = 0(-2) + 1(-1) + 0(-4)
also:

+ x 2 = -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 = | 0 ( - 6 )+1 2+0 ( - 1 )+1 | 0 2 + 1 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(-2|0|6), der Punkt C(3|-2|2) und die Gerade g: x = ( -2 0 6 ) +t ( 2 -2 -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 = 18 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 -2 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 3-( - 2 ) -2-0 2-6 ) = ( 5 -2 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t -2 t -1 t ) × ( 5 -2 -4 ) = ( -2 t · ( -4 ) - ( - t ) · ( -2 ) - t · 5 - 2 t · ( -4 ) 2 t · ( -2 ) - ( -2 t ) · 5 ) = ( 8 t -2 t -5 t +8 t -4 t +10 t ) = ( 6 t 3 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 6 t 3 t 6 t ) | = 36 t 2 +9 t 2 +36 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 18 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 18 |⋅2

| 9t | = 36

1. Fall

9t = 36 |: 9

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +2 t | 0 -2 t | 6 -1 t ) ergibt
B1(6|-8|2).

2. Fall

- 9t = 36 |: -9

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 +2 t | 0 -2 t | 6 -1 t ) ergibt
B2(-10|8|10).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 15 .

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 +5 x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +5 0 +5 0 = 15 => x= 3 5 =0.6, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +5 y +5 0 = 15 => y= 3 5 =0.6, also S2(0|3|0)
S3: 5 0 +5 0 +5 z = 15 => z= 3 5 =0.6, 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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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 OS3= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

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 x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 30. 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 3 d 5 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 30 |⋅30
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 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 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 72. 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 +4 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 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 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 4 = d 3 24

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 3 = 72 |⋅24
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

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

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