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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(3|5|-1), B(-9|-11|-1) und C(-7|0|-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 5 -1 ) + ( 2 11 0 ) = ( 5 16 -1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|16|-1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -9-3 -11-5 -1-( - 1 ) ) = ( -12 -16 0 ) und AD = BC = ( -7-( - 9 ) 0-( - 11 ) -1-( - 1 ) ) = ( 2 11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( 2 11 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -12 ) · 0 -12 · 11 - ( -16 ) · 2 ) = ( 0+0 0+0 -132 +32 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 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(5|7|3), B(-11|-5|3) und C(0|-3|3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -11-5 -5-7 3-3 ) = ( -16 -12 0 ) und AC = ( 0-5 -3-7 3-3 ) = ( -5 -10 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 -12 0 ) × ( -5 -10 0 ) = ( -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · ( -5 ) - ( -16 ) · 0 -16 · ( -10 ) - ( -12 ) · ( -5 ) ) = ( 0+0 0+0 160 -60 ) = ( 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(0|-2|-3), B(6|-2|-11), C(14|-2|-5) und D(8|-2|3) und als Spitze S(4|1|0). 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 = ( 6-0 -2-( - 2 ) -11-( - 3 ) ) = ( 6 0 -8 ) und AD = BC = ( 14-6 -2-( - 2 ) -5-( - 11 ) ) = ( 8 0 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 0 -8 ) × ( 8 0 6 ) = ( 0 · 6 - ( -8 ) · 0 -8 · 8 - 6 · 6 6 · 0 - 0 · 8 ) = ( 0+0 -64 -36 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 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 = ( 0 -2 -3 ) + r ( 6 0 -8 ) + s ( 8 0 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 0 -8 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -8 t -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 6 0 -8 ) , denn ( 6 0 -8 ) ( -8 t -6 ) =6(-8) + 0t + (-8)(-6) = -48+0+48=0.

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

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

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

= -100⋅ ( 0 1 0 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-2|-3) erhält man
d = 00 + 1(-2) + 0(-3)
also:

+ x 2 = -2

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 4+1 1+0 0+2 | 0 2 + 1 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(0|5|5), B(9|11|-13), C(13|23|-7) und als Spitze S(-16|20|2).
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 = ( 9-0 11-5 -13-5 ) = ( 9 6 -18 ) und AC = ( 13-0 23-5 -7-5 ) = ( 13 18 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 6 -18 ) × ( 13 18 -12 ) = ( 6 · ( -12 ) - ( -18 ) · 18 -18 · 13 - 9 · ( -12 ) 9 · 18 - 6 · 13 ) = ( -72 +324 -234 +108 162 -78 ) = ( 252 -126 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 -126 84 ) | = 252 2 + (-126)2 + 84 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 = ( 0 5 5 ) + r ( 9 6 -18 ) + s ( 13 18 -12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 9 6 -18 ) × ( 13 18 -12 ) = ( 6 · ( -12 ) - ( -18 ) · 18 -18 · 13 - 9 · ( -12 ) 9 · 18 - 6 · 13 ) = ( -72 +324 -234 +108 162 -78 ) = ( 252 -126 84 ) = -42⋅ ( -6 3 -2 )

Weil der Vektor ( -6 3 -2 ) orthogonal zu ( 9 6 -18 ) und ( 13 18 -12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 5 5 ) ] ( -6 3 -2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|5|5) erhält man
d = (-6)0 + 35 + (-2)5
also:

-6 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = 5

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 ( - 16 )+3 20-2 2-5 | ( - 6 ) 2 + 3 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 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(8|12|4), der Punkt C(-2|7|4) und die Gerade g: x = ( 8 12 4 ) +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 = ( -2-8 7-12 4-4 ) = ( -10 -5 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 ) × ( -10 -5 0 ) = ( -4 t · 0 - 0 · ( -5 ) 0 · ( -10 ) - ( -3 t ) · 0 -3 t · ( -5 ) - ( -4 t ) · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 15 t -40 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 ( 8 -3 t | 12 -4 t | 4 +0 t ) ergibt
B1(-7|-8|4).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 8 -3 t | 12 -4 t | 4 +0 t ) ergibt
B2(23|32|4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 1 x +4 0 +2 0 = 12 => x=12=12, also S1(12|0|0)
S2: 1 0 +4 y +2 0 = 12 => y= 12 4 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 0 +4 0 +2 z = 12 => z= 12 2 =6, also S3(0|0|6)

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⋅3 = 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= 6 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +3 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 27. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 27 |⋅12
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 60. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +5 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 5 d 3 , 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 5 d 3 d 5 = d 3 450

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 450 d 3 = 60 |⋅450
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.