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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-3|-2|-2), B(9|6|22) und C(2|6|1) 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 → = ( -3 -2 -2 ) + ( -7 0 -21 ) = ( -10 -2 -23 )

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

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( 9-( - 3 ) 6-( - 2 ) 22-( - 2 ) ) = ( 12 8 24 ) und AD → = BC → = ( 2-9 6-6 1-22 ) = ( -7 0 -21 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -168 84 56 ) | = (-168) 2 + 842 + 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(19|4|6), B(-13|-12|2) und C(2|0|-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 → = ( -13-19 -12-4 2-6 ) = ( -32 -16 -4 ) und AC → = ( 2-19 0-4 -4-6 ) = ( -17 -4 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -32 -16 -4 ) × ( -17 -4 -10 ) = ( -16 · ( -10 ) - ( -4 ) · ( -4 ) -4 · ( -17 ) - ( -32 ) · ( -10 ) -32 · ( -4 ) - ( -16 ) · ( -17 ) ) = ( 160 -16 68 -320 128 -272 ) = ( 144 -252 -144 ) .

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

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(3|7|-5), B(-5|-1|-1), C(-9|1|4) und D(-1|9|0) und als Spitze S(-6|10|-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 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 → = ( -5-3 -1-7 -1-( - 5 ) ) = ( -8 -8 4 ) und AD → = BC → = ( -9-( - 5 ) 1-( - 1 ) 4-( - 1 ) ) = ( -4 2 5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 -8 4 ) × ( -4 2 5 ) = ( -8 · 5 - 4 · 2 4 · ( -4 ) - ( -8 ) · 5 -8 · 2 - ( -8 ) · ( -4 ) ) = ( -40 -8 -16 +40 -16 -32 ) = ( -48 24 -48 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -48 24 -48 ) | = (-48) 2 + 242 + (-48) 2 = 5184 = 72 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 72.

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 → = ( 3 7 -5 ) + r ⋅ ( -8 -8 4 ) + s ⋅ ( -4 2 5 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -8 -8 4 ) × ( -4 2 5 ) = ( -8 · 5 - 4 · 2 4 · ( -4 ) - ( -8 ) · 5 -8 · 2 - ( -8 ) · ( -4 ) ) = ( -40 -8 -16 +40 -16 -32 ) = ( -48 24 -48 ) = 24⋅ ( -2 1 -2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|7|-5) erhält man
d = (-2)⋅3 + 1⋅7 + (-2)⋅(-5)
also:

-2 x 1 + x 2 -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 )+1 ⋅ 10-2 ⋅ ( - 8 )-11 | ( - 2 ) 2 + 1 2 + ( - 2 ) 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 · 72 · 9 = 216

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|2|-3), B(-2|6|-5), C(-4|2|-9) und als Spitze S(7|3|-11).
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 → = ( -2-2 6-2 -5-( - 3 ) ) = ( -4 4 -2 ) und AC → = ( -4-2 2-2 -9-( - 3 ) ) = ( -6 0 -6 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -24 -12 24 ) | = (-24) 2 + (-12)2 + 24 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 → = ( 2 2 -3 ) + r ⋅ ( -4 4 -2 ) + s ⋅ ( -6 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 0 -6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 t 6 ) für jedes t orthogonal zu ( -6 0 -6 ) , denn ( -6 0 -6 ) ∘ ( -6 t 6 ) =(-6)⋅(-6) + 0⋅t + (-6)⋅6 = 36+0-36=0.

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

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

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

= -12⋅ ( 2 1 -2 )

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

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

2 x 1 + x 2 -2 x 3 = 12

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 ⋅ 7+1 ⋅ 3-2 ⋅ ( - 11 )-12 | 2 2 + 1 2 + ( - 2 ) 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(1|-2|1), der Punkt C(-3|6|2) und die Gerade g: x → = ( 1 -2 1 ) +t⋅ ( 4 1 8 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121,5 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 ( 4 t t 8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -3-1 6-( - 2 ) 2-1 ) = ( -4 8 1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 t t 8 t ) × ( -4 8 1 ) = ( t · 1 - 8 t · 8 8 t · ( -4 ) - 4 t · 1 4 t · 8 - t · ( -4 ) ) = ( t -64 t -32 t -4 t 32 t +4 t ) = ( -63 t -36 t 36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -63 t -36 t 36 t ) | = 3969 t 2 +1296 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +4 t | -2 +1 t | 1 +8 t ) ergibt
B1(13|1|25).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +4 t | -2 +1 t | 1 +8 t ) ergibt
B2(-11|-5|-23).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 ⋅ x +5⋅ 0 +4⋅ 0 = 60 => x= 60 4 =15, also S1(15|0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +5⋅ y +4⋅ 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 4 ⋅ 0 +5⋅ 0 +4⋅ z = 60 => z= 60 4 =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 ⋅ 15⋅12 = 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅15
=450

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 + x 2 + 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 32. 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 + x 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 4 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 32 |⋅8
d 2 = 256 | ⋅2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 16

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 + x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-16|0) und S3(0|0|-16). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 16 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 +5 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 600. 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 +5 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 +5 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 ⋅ x +5⋅ 0 +3⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +5⋅ y +3⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 4 ⋅ 0 +5⋅ 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 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 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 5 ⋅ d 3 = d 3 360

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 360 d 3 = 600 |⋅360
d 3 = 216000 | ⋅3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 60

Aber auch E2: 4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-20). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.