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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(6|-8|-4), B(-6|16|4) und C(-2|1|6) 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 -8 -4 ) + ( 4 -15 2 ) = ( 10 -23 -2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(10|-23|-2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -6-6 16-( - 8 ) 4-( - 4 ) ) = ( -12 24 8 ) und AD = BC = ( -2-( - 6 ) 1-16 6-4 ) = ( 4 -15 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 24 8 ) × ( 4 -15 2 ) = ( 24 · 2 - 8 · ( -15 ) 8 · 4 - ( -12 ) · 2 -12 · ( -15 ) - 24 · 4 ) = ( 48 +120 32 +24 180 -96 ) = ( 168 56 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 56 84 ) | = 168 2 + 562 + 84 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(-31|22|1), B(5|-2|-7) und C(-2|10|-14).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 5-( - 31 ) -2-22 -7-1 ) = ( 36 -24 -8 ) und AC = ( -2-( - 31 ) 10-22 -14-1 ) = ( 29 -12 -15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -24 -8 ) × ( 29 -12 -15 ) = ( -24 · ( -15 ) - ( -8 ) · ( -12 ) -8 · 29 - 36 · ( -15 ) 36 · ( -12 ) - ( -24 ) · 29 ) = ( 360 -96 -232 +540 -432 +696 ) = ( 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(5|4|-4), B(9|-8|-22), C(27|4|-26) und D(23|16|-8) und als Spitze S(-4|31|-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 = ( 9-5 -8-4 -22-( - 4 ) ) = ( 4 -12 -18 ) und AD = BC = ( 27-9 4-( - 8 ) -26-( - 22 ) ) = ( 18 12 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -12 -18 ) × ( 18 12 -4 ) = ( -12 · ( -4 ) - ( -18 ) · 12 -18 · 18 - 4 · ( -4 ) 4 · 12 - ( -12 ) · 18 ) = ( 48 +216 -324 +16 48 +216 ) = ( 264 -308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -308 264 ) | = 264 2 + (-308)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.

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 4 -4 ) + r ( 4 -12 -18 ) + s ( 18 12 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 4 -12 -18 ) × ( 18 12 -4 ) = ( -12 · ( -4 ) - ( -18 ) · 12 -18 · 18 - 4 · ( -4 ) 4 · 12 - ( -12 ) · 18 ) = ( 48 +216 -324 +16 48 +216 ) = ( 264 -308 264 ) = -44⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( 4 -12 -18 ) und ( 18 12 -4 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 4 -4 ) ] ( -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(5|4|-4) erhält man
d = (-6)5 + 74 + (-6)(-4)
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = 22

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 ( - 4 )+7 31-6 ( - 24 )-22 | ( - 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 · 484 · 33 = 5324

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-3|-4|5), B(-11|-20|7), C(-3|-22|23) und als Spitze S(-20|7|25).
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-( - 3 ) -20-( - 4 ) 7-5 ) = ( -8 -16 2 ) und AC = ( -3-( - 3 ) -22-( - 4 ) 23-5 ) = ( 0 -18 18 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 144 144 ) | = (-252) 2 + 1442 + 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 = ( -3 -4 5 ) + r ( -8 -16 2 ) + s ( 0 -18 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -18 18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -18 -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -18 18 ) , denn ( 0 -18 18 ) ( t -18 -18 ) =0t + (-18)(-18) + 18(-18) = 0+324-324=0.

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

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

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

= 36⋅ ( -7 4 4 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-4|5) erhält man
d = (-7)(-3) + 4(-4) + 45
also:

-7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 25

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 = | -7 ( - 20 )+4 7+4 25-25 | ( - 7 ) 2 + 4 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(-1|5|-5), der Punkt C(6|6|-5) und die Gerade g: x = ( -1 5 -5 ) +t ( -4 3 0 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 50 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 ( -4 t 3 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 6-( - 1 ) 6-5 -5-( - 5 ) ) = ( 7 1 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 t 3 t 0 t ) × ( 7 1 0 ) = ( 3 t · 0 - 0 · 1 0 · 7 - ( -4 t ) · 0 -4 t · 1 - 3 t · 7 ) = ( 0+0 0+0 -4 t -21 t ) = ( 0 0 -25 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 0 -25 t ) | = 0+0 +625 t 2 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -4 t | 5 +3 t | -5 +0 t ) ergibt
B1(-17|17|-5).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -4 t | 5 +3 t | -5 +0 t ) ergibt
B2(15|-7|-5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30 .

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 +2 x 2 +2 x 3 = 30 ein.

S1: 5 x +2 0 +2 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +2 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +2 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =15, also S3(0|0|15)

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⋅15 = 45, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

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

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 2 d 2 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 4,5 |⋅8
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 112.5. 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 +5 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 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +1 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +1 y +5 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 1 0 +1 0 +5 z = d => z = d 5 , also S3(0|0| d 5 )

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 5 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 5 = d 3 30

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 3 = 112,5 |⋅30
d 3 = 3375 | 3
d = 3375 3 = 15

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15

Aber auch E2: x 1 + x 2 +5 x 3 = -15 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-3). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.