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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|2|-3), B(-10|-10|21) und C(-10|-3|0) 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 2 -3 ) + ( 0 7 -21 ) = ( -2 9 -24 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-2|9|-24).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -10-( - 2 ) -10-2 21-( - 3 ) ) = ( -8 -12 24 ) und AD = BC = ( -10-( - 10 ) -3-( - 10 ) 0-21 ) = ( 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(-6|-10|-12), B(2|14|24) und C(5|-10|-1).

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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-( - 6 ) 14-( - 10 ) 24-( - 12 ) ) = ( 8 24 36 ) und AC = ( 5-( - 6 ) -10-( - 10 ) -1-( - 12 ) ) = ( 11 0 11 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 -264 ) | = 264 2 + 3082 + (-264) 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(4|-1|-2), B(-2|17|-11), C(-14|11|-15) und D(-8|-7|-6) und als Spitze S(7|-10|-22). 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 = ( -2-4 17-( - 1 ) -11-( - 2 ) ) = ( -6 18 -9 ) und AD = BC = ( -14-( - 2 ) 11-17 -15-( - 11 ) ) = ( -12 -6 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 18 -9 ) × ( -12 -6 -4 ) = ( 18 · ( -4 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · ( -12 ) - ( -6 ) · ( -4 ) -6 · ( -6 ) - 18 · ( -12 ) ) = ( -72 -54 108 -24 36 +216 ) = ( -126 84 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -126 84 252 ) | = (-126) 2 + 842 + 252 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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 -1 -2 ) + r ( -6 18 -9 ) + s ( -12 -6 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 18 -9 ) × ( -12 -6 -4 ) = ( 18 · ( -4 ) - ( -9 ) · ( -6 ) -9 · ( -12 ) - ( -6 ) · ( -4 ) -6 · ( -6 ) - 18 · ( -12 ) ) = ( -72 -54 108 -24 36 +216 ) = ( -126 84 252 ) = -42⋅ ( 3 -2 -6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 -6 ) orthogonal zu ( -6 18 -9 ) und ( -12 -6 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -1 -2 ) ] ( 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(4|-1|-2) erhält man
d = 34 + (-2)(-1) + (-6)(-2)
also:

3 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = 26

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 7-2 ( - 10 )-6 ( - 22 )-26 | 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-5|3), B(3|-3|-1), C(5|1|3) und als Spitze S(6|-9|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 = ( 3-( - 1 ) -3-( - 5 ) -1-3 ) = ( 4 2 -4 ) und AC = ( 5-( - 1 ) 1-( - 5 ) 3-3 ) = ( 6 6 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 2 -4 ) × ( 6 6 0 ) = ( 2 · 0 - ( -4 ) · 6 -4 · 6 - 4 · 0 4 · 6 - 2 · 6 ) = ( 0 +24 -24 +0 24 -12 ) = ( 24 -24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 -24 12 ) | = 24 2 + (-24)2 + 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.

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 3 ) + r ( 4 2 -4 ) + s ( 6 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 6 t ) für jedes t orthogonal zu ( 6 6 0 ) , denn ( 6 6 0 ) ( -6 6 t ) =6(-6) + 66 + 0t = -36+36+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 2 -4 ) ( -6 6 t ) = -4⋅t -12 = 0 wird, also t=-3 = -3.

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -6 6 -3 ) = -3 1 ( 2 -2 1 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 4 2 -4 ) × ( 6 6 0 ) = ( 2 · 0 - ( -4 ) · 6 -4 · 6 - 4 · 0 4 · 6 - 2 · 6 ) = ( 0 +24 -24 +0 24 -12 ) = ( 24 -24 12 )

= 12⋅ ( 2 -2 1 )

Weil der Vektor ( 2 -2 1 ) orthogonal zu ( 4 2 -4 ) und ( 6 6 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -1 -5 3 ) ] ( 2 -2 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 -2 x 2 + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-5|3) erhält man
d = 2(-1) + (-2)(-5) + 13
also:

2 x 1 -2 x 2 + x 3 = 11

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 = | 2 6-2 ( - 9 )+1 8-11 | 2 2 + ( - 2 ) 2 + 1 2
= | 27 | 9 = 27 3 = 9

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 9.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 18 · 9 = 54

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(2|5|3), der Punkt C(4|8|-3) und die Gerade g: x = ( 2 5 3 ) +t ( 3 -6 -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 = 73,5 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 ( 3 t -6 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 4-2 8-5 -3-3 ) = ( 2 3 -6 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t -6 t -2 t ) × ( 2 3 -6 ) = ( -6 t · ( -6 ) - ( -2 t ) · 3 -2 t · 2 - 3 t · ( -6 ) 3 t · 3 - ( -6 t ) · 2 ) = ( 36 t +6 t -4 t +18 t 9 t +12 t ) = ( 42 t 14 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 42 t 14 t 21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +3 t | 5 -6 t | 3 -2 t ) ergibt
B1(11|-13|-3).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 2 +3 t | 5 -6 t | 3 -2 t ) ergibt
B2(-7|23|9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +4 0 +1 0 = 12 => x= 12 4 =3, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +4 y +1 0 = 12 => y= 12 4 =3, also S2(0|3|0)
S3: 4 0 +4 0 +1 z = 12 => z=12=12, also S3(0|0|12)

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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅12
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +4 x 2 +3 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 4.5. 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:

4 x 1 +4 x 2 +3 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 +4 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 d 4 = d 2 32

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 32 d 2 = 4,5 |⋅32
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-3|0|0), S2(0|-3|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 12 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 +2 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:

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

S1: 1 x +2 0 +3 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 1 0 +2 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 1 d 2 , 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 1 d 2 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: x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 6

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

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