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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(4|5|10), B(-8|5|-6) und C(-9|5|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 = ( 4 5 10 ) + ( -1 0 7 ) = ( 3 5 17 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(3|5|17).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -8-4 5-5 -6-10 ) = ( -12 0 -16 ) und AD = BC = ( -9-( - 8 ) 5-5 1-( - 6 ) ) = ( -1 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 0 -16 ) × ( -1 0 7 ) = ( 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · ( -1 ) - ( -12 ) · 7 -12 · 0 - 0 · ( -1 ) ) = ( 0+0 16 +84 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 0 2 = 10000 = 100 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(3|11|-8), B(11|-25|16) und C(14|0|-8).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 11-3 -25-11 16-( - 8 ) ) = ( 8 -36 24 ) und AC = ( 14-3 0-11 -8-( - 8 ) ) = ( 11 -11 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 264 308 ) | = 264 2 + 2642 + 308 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|3|5), B(4|-3|-3), C(4|-11|3) und D(4|-5|11) und als Spitze S(7|-1|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 = ( 4-4 -3-3 -3-5 ) = ( 0 -6 -8 ) und AD = BC = ( 4-4 -11-( - 3 ) 3-( - 3 ) ) = ( 0 -8 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -6 -8 ) × ( 0 -8 6 ) = ( -6 · 6 - ( -8 ) · ( -8 ) -8 · 0 - 0 · 6 0 · ( -8 ) - ( -6 ) · 0 ) = ( -36 -64 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 dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 100.

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 3 5 ) + r ( 0 -6 -8 ) + s ( 0 -8 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -6 -8 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 8 -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -6 -8 ) , denn ( 0 -6 -8 ) ( t 8 -6 ) =0t + (-6)8 + (-8)(-6) = 0-48+48=0.

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

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -6 -8 ) × ( 0 -8 6 ) = ( -6 · 6 - ( -8 ) · ( -8 ) -8 · 0 - 0 · 6 0 · ( -8 ) - ( -6 ) · 0 ) = ( -36 -64 0+0 0+0 ) = ( -100 0 0 )

= -100⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -6 -8 ) und ( 0 -8 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 3 5 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|3|5) erhält man
d = 14 + 03 + 05
also:

x 1 = 4

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 7+0 ( - 1 )+0 8-4 | 1 2 + 0 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 · 100 · 3 = 100

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|1|-6), B(-7|13|18), C(-21|20|18) und als Spitze S(2|24|-9).
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 = ( -7-1 13-1 18-( - 6 ) ) = ( -8 12 24 ) und AC = ( -21-1 20-1 18-( - 6 ) ) = ( -22 19 24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 12 24 ) × ( -22 19 24 ) = ( 12 · 24 - 24 · 19 24 · ( -22 ) - ( -8 ) · 24 -8 · 19 - 12 · ( -22 ) ) = ( 288 -456 -528 +192 -152 +264 ) = ( -168 -336 112 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -168 -336 112 ) | = (-168) 2 + (-336)2 + 112 2 = 153664 = 392 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 ⋅ 392 = 196.

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 1 -6 ) + r ( -8 12 24 ) + s ( -22 19 24 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -8 12 24 ) × ( -22 19 24 ) = ( 12 · 24 - 24 · 19 24 · ( -22 ) - ( -8 ) · 24 -8 · 19 - 12 · ( -22 ) ) = ( 288 -456 -528 +192 -152 +264 ) = ( -168 -336 112 ) = -56⋅ ( 3 6 -2 )

Weil der Vektor ( 3 6 -2 ) orthogonal zu ( -8 12 24 ) und ( -22 19 24 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 1 -6 ) ] ( 3 6 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 +6 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|1|-6) erhält man
d = 31 + 61 + (-2)(-6)
also:

3 x 1 +6 x 2 -2 x 3 = 21

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 2+6 24-2 ( - 9 )-21 | 3 2 + 6 2 + ( - 2 ) 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 · 196 · 21 = 1372

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|3|4), der Punkt C(-7|-5|3) und die Gerade g: x = ( -3 3 4 ) +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 = 81 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 -1 t -8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -7-( - 3 ) -5-3 3-4 ) = ( -4 -8 -1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 t -1 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 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +4 t | 3 -1 t | 4 -8 t ) ergibt
B1(5|1|-12).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +4 t | 3 -1 t | 4 -8 t ) ergibt
B2(-11|5|20).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 .

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 3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 ein.

S1: 3 x +3 0 +2 0 = 18 => x= 18 3 =6, also S1(6|0|0)
S2: 3 0 +3 y +2 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 3 0 +3 0 +2 z = 18 => z= 18 2 =9, also S3(0|0|9)

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⋅6 = 18, 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅9
=54

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +5 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 45. 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:

5 x 1 +5 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 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +5 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 0 +5 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 5 d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 45 |⋅20
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 24. 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 + 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 + x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +1 0 +4 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +4 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 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 3 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 3 d 1 d 4 = d 3 72

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

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

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

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

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