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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

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

Der Gesuchte Punkt ist also D(1|7|-7).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -3-1 -7-1 4-( - 4 ) ) = ( -4 -8 8 ) und AD = BC = ( -3-( - 3 ) -1-( - 7 ) 1-4 ) = ( 0 6 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -8 8 ) × ( 0 6 -3 ) = ( -8 · ( -3 ) - 8 · 6 8 · 0 - ( -4 ) · ( -3 ) -4 · 6 - ( -8 ) · 0 ) = ( 24 -48 0 -12 -24 +0 ) = ( -24 -12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 -12 -24 ) | = (-24) 2 + (-12)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(0|19|13), B(4|-13|-3) und C(10|2|9).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 4-0 -13-19 -3-13 ) = ( 4 -32 -16 ) und AC = ( 10-0 2-19 9-13 ) = ( 10 -17 -4 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 -144 252 ) | = (-144) 2 + (-144)2 + 252 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(0|-1|-4), B(0|-17|8), C(0|-15|19) und D(0|1|7) und als Spitze S(3|-2|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 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 = ( 0-0 -17-( - 1 ) 8-( - 4 ) ) = ( 0 -16 12 ) und AD = BC = ( 0-0 -15-( - 17 ) 19-8 ) = ( 0 2 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 2 11 ) = ( -16 · 11 - 12 · 2 12 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -16 ) · 0 ) = ( -176 -24 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -200 0 0 ) | = (-200) 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 200.

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 -1 -4 ) + r ( 0 -16 12 ) + s ( 0 2 11 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -16 12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -12 -16 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -16 12 ) , denn ( 0 -16 12 ) ( t -12 -16 ) =0t + (-16)(-12) + 12(-16) = 0+192-192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 2 11 ) ( t -12 -16 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 -12 -16 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 -16 12 ) × ( 0 2 11 ) = ( -16 · 11 - 12 · 2 12 · 0 - 0 · 11 0 · 2 - ( -16 ) · 0 ) = ( -176 -24 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 )

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -16 12 ) und ( 0 2 11 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 -1 -4 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|-1|-4) erhält man
d = 10 + 0(-1) + 0(-4)
also:

x 1 = 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 = | 1 3+0 ( - 2 )+0 3-0 | 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 · 200 · 3 = 200

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|1|1), B(8|19|-11), C(26|23|1) und als Spitze S(-5|21|28).
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 = ( 8-4 19-1 -11-1 ) = ( 4 18 -12 ) und AC = ( 26-4 23-1 1-1 ) = ( 22 22 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 18 -12 ) × ( 22 22 0 ) = ( 18 · 0 - ( -12 ) · 22 -12 · 22 - 4 · 0 4 · 22 - 18 · 22 ) = ( 0 +264 -264 +0 88 -396 ) = ( 264 -264 -308 ) .

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

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 = ( 4 1 1 ) + r ( 4 18 -12 ) + s ( 22 22 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 22 22 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -22 22 t ) für jedes t orthogonal zu ( 22 22 0 ) , denn ( 22 22 0 ) ( -22 22 t ) =22(-22) + 2222 + 0t = -484+484+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 18 -12 ) ( -22 22 t ) = -12⋅t +308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -22 22 77 3 ) = 1 3 ( -66 66 77 ) = 11 3 ( -6 6 7 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 4 18 -12 ) × ( 22 22 0 ) = ( 18 · 0 - ( -12 ) · 22 -12 · 22 - 4 · 0 4 · 22 - 18 · 22 ) = ( 0 +264 -264 +0 88 -396 ) = ( 264 -264 -308 )

= -44⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( 4 18 -12 ) und ( 22 22 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 1 1 ) ] ( -6 6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|1|1) erhält man
d = (-6)4 + 61 + 71
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 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 = | -6 ( - 5 )+6 21+7 28+11 | ( - 6 ) 2 + 6 2 + 7 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-4|11|2), der Punkt C(1|4|-2) und die Gerade g: x = ( -4 11 2 ) +t ( 1 -2 -2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 9 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 ( t -2 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-( - 4 ) 4-11 -2-2 ) = ( 5 -7 -4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t -2 t ) × ( 5 -7 -4 ) = ( -2 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · ( -7 ) -2 t · 5 - t · ( -4 ) t · ( -7 ) - ( -2 t ) · 5 ) = ( 8 t -14 t -10 t +4 t -7 t +10 t ) = ( -6 t -6 t 3 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -6 t -6 t 3 t ) | = 36 t 2 +36 t 2 +9 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 9 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 9 |⋅2

| 9t | = 18

1. Fall

9t = 18 |: 9

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +1 t | 11 -2 t | 2 -2 t ) ergibt
B1(-2|7|-2).

2. Fall

- 9t = 18 |: -9

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +1 t | 11 -2 t | 2 -2 t ) ergibt
B2(-6|15|6).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +5 0 +4 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +5 y +4 0 = 60 => y= 60 5 =12, also S2(0|12|0)
S3: 2 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 ⋅ 30⋅12 = 180, 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 ⋅180⋅15
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +2 x 2 +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 9. 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 +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 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +2 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 9 |⋅16
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-3|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 12 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 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

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

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

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 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 3 d 2 = d 3 108

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 2 |⋅108
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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