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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-21|14|7), B(15|-10|-1) und C(-1|8|-6) 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 = ( -21 14 7 ) + ( -16 18 -5 ) = ( -37 32 2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-37|32|2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 15-( - 21 ) -10-14 -1-7 ) = ( 36 -24 -8 ) und AD = BC = ( -1-15 8-( - 10 ) -6-( - 1 ) ) = ( -16 18 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -24 -8 ) × ( -16 18 -5 ) = ( -24 · ( -5 ) - ( -8 ) · 18 -8 · ( -16 ) - 36 · ( -5 ) 36 · 18 - ( -24 ) · ( -16 ) ) = ( 120 +144 128 +180 648 -384 ) = ( 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(15|10|9), B(-9|-2|1) und C(0|-1|-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 = ( -9-15 -2-10 1-9 ) = ( -24 -12 -8 ) und AC = ( 0-15 -1-10 -3-9 ) = ( -15 -11 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -12 -8 ) × ( -15 -11 -12 ) = ( -12 · ( -12 ) - ( -8 ) · ( -11 ) -8 · ( -15 ) - ( -24 ) · ( -12 ) -24 · ( -11 ) - ( -12 ) · ( -15 ) ) = ( 144 -88 120 -288 264 -180 ) = ( 56 -168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 56 -168 84 ) | = 56 2 + (-168)2 + 84 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(0|1|-2), B(-3|25|-14), C(-19|27|-6) und D(-16|3|6) und als Spitze S(4|14|23). 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 = ( -3-0 25-1 -14-( - 2 ) ) = ( -3 24 -12 ) und AD = BC = ( -19-( - 3 ) 27-25 -6-( - 14 ) ) = ( -16 2 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 24 -12 ) × ( -16 2 8 ) = ( 24 · 8 - ( -12 ) · 2 -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) ) = ( 192 +24 192 +24 -6 +384 ) = ( 216 216 378 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 216 216 378 ) | = 216 2 + 2162 + 378 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 -2 ) + r ( -3 24 -12 ) + s ( -16 2 8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -3 24 -12 ) × ( -16 2 8 ) = ( 24 · 8 - ( -12 ) · 2 -12 · ( -16 ) - ( -3 ) · 8 -3 · 2 - 24 · ( -16 ) ) = ( 192 +24 192 +24 -6 +384 ) = ( 216 216 378 ) = 54⋅ ( 4 4 7 )

Weil der Vektor ( 4 4 7 ) orthogonal zu ( -3 24 -12 ) und ( -16 2 8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 1 -2 ) ] ( 4 4 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(0|1|-2) erhält man
d = 40 + 41 + 7(-2)
also:

4 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = -10

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 = | 4 4+4 14+7 23+10 | 4 2 + 4 2 + 7 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|4|-3), B(6|6|1), C(8|10|-3) und als Spitze S(-3|12|-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 = ( 6-2 6-4 1-( - 3 ) ) = ( 4 2 4 ) und AC = ( 8-2 10-4 -3-( - 3 ) ) = ( 6 6 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 24 12 ) | = (-24) 2 + 242 + 12 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 4 -3 ) + r ( 4 2 4 ) + s ( 6 6 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 6 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 6 t ) für jedes t orthogonal zu ( 6 6 0 ) , denn ( 6 6 0 ) ( -6 6 t ) =6(-6) + 66 + 0t = -36+36+0=0.

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

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

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

= 12⋅ ( -2 2 1 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|4|-3) erhält man
d = (-2)2 + 24 + 1(-3)
also:

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

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 ( - 3 )+2 12+1 ( - 2 )-1 | ( - 2 ) 2 + 2 2 + 1 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|-14|1), der Punkt C(-11|-7|-6) und die Gerade g: x = ( 1 -14 1 ) +t ( 6 -9 -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 = 121 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 ( 6 t -9 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -11-1 -7-( - 14 ) -6-1 ) = ( -12 7 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t -9 t -2 t ) × ( -12 7 -7 ) = ( -9 t · ( -7 ) - ( -2 t ) · 7 -2 t · ( -12 ) - 6 t · ( -7 ) 6 t · 7 - ( -9 t ) · ( -12 ) ) = ( 63 t +14 t 24 t +42 t 42 t -108 t ) = ( 77 t 66 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 77 t 66 t -66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 121 |⋅2

| 121t | = 242

1. Fall

121t = 242 |: 121

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +6 t | -14 -9 t | 1 -2 t ) ergibt
B1(13|-32|-3).

2. Fall

- 121t = 242 |: -121

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 +6 t | -14 -9 t | 1 -2 t ) ergibt
B2(-11|4|5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 .

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 +2 x 2 +5 x 3 = 30 ein.

S1: 5 x +2 0 +5 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +5 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +2 0 +5 z = 30 => z= 30 5 =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 ⋅ 6⋅15 = 45, 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 ⋅45⋅6
=90

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 x 2 +4 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 90. 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 +4 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 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +4 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +4 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 0 +4 z = d => z = d 4 , also S3(0|0| d 4 )

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 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 90 |⋅40
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 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 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 6. 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 + 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 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 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 1 = d 3 36

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 36 d 3 = 6 |⋅36
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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