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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|-15|-22), B(6|9|14) und C(11|-9|-2) 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 -15 -22 ) + ( 5 -18 -16 ) = ( 3 -33 -38 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(3|-33|-38).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 2 ) 9-( - 15 ) 14-( - 22 ) ) = ( 8 24 36 ) und AD = BC = ( 11-6 -9-9 -2-14 ) = ( 5 -18 -16 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 24 36 ) × ( 5 -18 -16 ) = ( 24 · ( -16 ) - 36 · ( -18 ) 36 · 5 - 8 · ( -16 ) 8 · ( -18 ) - 24 · 5 ) = ( -384 +648 180 +128 -144 -120 ) = ( 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(1|4|-4), B(-11|-12|-4) und C(-3|7|-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 = ( -11-1 -12-4 -4-( - 4 ) ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -3-1 7-4 -4-( - 4 ) ) = ( -4 3 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -4 3 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · 3 0 · ( -4 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 3 - ( -16 ) · ( -4 ) ) = ( 0+0 0+0 -36 -64 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 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(1|0|1), B(7|-3|-5), C(5|-8|-9) und D(-1|-5|-3) und als Spitze S(4|-9|4). 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 = ( 7-1 -3-0 -5-1 ) = ( 6 -3 -6 ) und AD = BC = ( 5-7 -8-( - 3 ) -9-( - 5 ) ) = ( -2 -5 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 -3 -6 ) × ( -2 -5 -4 ) = ( -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -5 ) -6 · ( -2 ) - 6 · ( -4 ) 6 · ( -5 ) - ( -3 ) · ( -2 ) ) = ( 12 -30 12 +24 -30 -6 ) = ( -18 36 -36 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -18 36 -36 ) | = (-18) 2 + 362 + (-36) 2 = 2916 = 54 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 54.

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 = ( 1 0 1 ) + r ( 6 -3 -6 ) + s ( -2 -5 -4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 6 -3 -6 ) × ( -2 -5 -4 ) = ( -3 · ( -4 ) - ( -6 ) · ( -5 ) -6 · ( -2 ) - 6 · ( -4 ) 6 · ( -5 ) - ( -3 ) · ( -2 ) ) = ( 12 -30 12 +24 -30 -6 ) = ( -18 36 -36 ) = -18⋅ ( 1 -2 2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|0|1) erhält man
d = 11 + (-2)0 + 21
also:

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

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 4-2 ( - 9 )+2 4-3 | 1 2 + ( - 2 ) 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 · 54 · 9 = 162

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|-2|0), B(-11|-10|0), C(-19|-4|0) und als Spitze S(-9|1|3).
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-( - 5 ) -10-( - 2 ) 0-0 ) = ( -6 -8 0 ) und AC = ( -19-( - 5 ) -4-( - 2 ) 0-0 ) = ( -14 -2 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 -8 0 ) × ( -14 -2 0 ) = ( -8 · 0 - 0 · ( -2 ) 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -2 ) - ( -8 ) · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 12 -112 ) = ( 0 0 -100 ) .

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

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 -2 0 ) + r ( -6 -8 0 ) + s ( -14 -2 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 -8 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 8 -6 t ) für jedes t orthogonal zu ( -6 -8 0 ) , denn ( -6 -8 0 ) ( 8 -6 t ) =(-6)8 + (-8)(-6) + 0t = -48+48+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -14 -2 0 ) ( 8 -6 t ) = 0⋅t -100 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 8 -6 1 0 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -6 -8 0 ) × ( -14 -2 0 ) = ( -8 · 0 - 0 · ( -2 ) 0 · ( -14 ) - ( -6 ) · 0 -6 · ( -2 ) - ( -8 ) · ( -14 ) ) = ( 0+0 0+0 12 -112 ) = ( 0 0 -100 )

= -100⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -6 -8 0 ) und ( -14 -2 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 -2 0 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-2|0) erhält man
d = 0(-5) + 0(-2) + 10
also:

+ x 3 = 0

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 ( - 9 )+0 1+1 3-0 | 0 2 + 0 2 + 1 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 · 50 · 3 = 50

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(12|-7|-3), der Punkt C(-1|2|-3) und die Gerade g: x = ( 12 -7 -3 ) +t ( -3 4 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 = 62,5 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 4 t 0 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-12 2-( - 7 ) -3-( - 3 ) ) = ( -13 9 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t 4 t 0 t ) × ( -13 9 0 ) = ( 4 t · 0 - 0 · 9 0 · ( -13 ) - ( -3 t ) · 0 -3 t · 9 - 4 t · ( -13 ) ) = ( 0+0 0+0 -27 t +52 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 62,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 62,5 |⋅2

| 25t | = 125

1. Fall

25t = 125 |: 25

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | -7 +4 t | -3 +0 t ) ergibt
B1(-3|13|-3).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | -7 +4 t | -3 +0 t ) ergibt
B2(27|-27|-3).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 5 x +5 0 +4 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +5 y +4 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 5 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 ⋅ 12⋅12 = 72, 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 ⋅72⋅15
=360

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 75. 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 +5 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 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +3 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +3 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 75 |⋅12
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 96. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +4 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 3 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 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 2 d 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 96 |⋅144
d 3 = 13824 | 3
d = 13824 3 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 24

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-8|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 24 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.