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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-10|1|-8), B(14|9|4) und C(-7|9|-3) 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 = ( -10 1 -8 ) + ( -21 0 -7 ) = ( -31 1 -15 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-31|1|-15).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 14-( - 10 ) 9-1 4-( - 8 ) ) = ( 24 8 12 ) und AD = BC = ( -7-14 9-9 -3-4 ) = ( -21 0 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 8 12 ) × ( -21 0 -7 ) = ( 8 · ( -7 ) - 12 · 0 12 · ( -21 ) - 24 · ( -7 ) 24 · 0 - 8 · ( -21 ) ) = ( -56 +0 -252 +168 0 +168 ) = ( -56 -84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -84 168 ) | = (-56) 2 + (-84)2 + 168 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 196.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|-5|3), B(13|3|-21) und C(6|3|0).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 13-1 3-( - 5 ) -21-3 ) = ( 12 8 -24 ) und AC = ( 6-1 3-( - 5 ) 0-3 ) = ( 5 8 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 8 -24 ) × ( 5 8 -3 ) = ( 8 · ( -3 ) - ( -24 ) · 8 -24 · 5 - 12 · ( -3 ) 12 · 8 - 8 · 5 ) = ( -24 +192 -120 +36 96 -40 ) = ( 168 -84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 168 -84 56 ) | = 168 2 + (-84)2 + 56 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(4|-2|1), B(4|-8|9), C(4|-16|3) und D(4|-10|-5) und als Spitze S(7|-6|-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 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 -8-( - 2 ) 9-1 ) = ( 0 -6 8 ) und AD = BC = ( 4-4 -16-( - 8 ) 3-9 ) = ( 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 -2 1 ) + 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 -2 1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-2|1) erhält man
d = 14 + 0(-2) + 01
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 ( - 6 )+0 ( - 2 )-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(4|2|5), B(-23|-4|-13), C(-27|-22|-1) und als Spitze S(-16|11|32).
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 = ( -23-4 -4-2 -13-5 ) = ( -27 -6 -18 ) und AC = ( -27-4 -22-2 -1-5 ) = ( -31 -24 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -31 -24 -6 ) = ( -6 · ( -6 ) - ( -18 ) · ( -24 ) -18 · ( -31 ) - ( -27 ) · ( -6 ) -27 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -31 ) ) = ( 36 -432 558 -162 648 -186 ) = ( -396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 396 462 ) | = (-396) 2 + 3962 + 462 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 2 5 ) + r ( -27 -6 -18 ) + s ( -31 -24 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -31 -24 -6 ) = ( -6 · ( -6 ) - ( -18 ) · ( -24 ) -18 · ( -31 ) - ( -27 ) · ( -6 ) -27 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -31 ) ) = ( 36 -432 558 -162 648 -186 ) = ( -396 396 462 ) = 66⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( -27 -6 -18 ) und ( -31 -24 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 2 5 ) ] ( -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|2|5) erhält man
d = (-6)4 + 62 + 75
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = 23

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 )+6 11+7 32-23 | ( - 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

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

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t -4 t 3 t ) × ( 0 -1 7 ) = ( -4 t · 7 - 3 t · ( -1 ) 3 t · 0 - 0 · 7 0 · ( -1 ) - ( -4 t ) · 0 ) = ( -28 t +3 t 0+0 0+0 ) = ( -25 t 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -25 t 0 0 ) | = 625 t 2 +0+0 = 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 ( -1 +0 t | 4 -4 t | 0 +3 t ) ergibt
B1(-1|-16|15).

2. Fall

- 25t = 125 |: -25

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +0 t | 4 -4 t | 0 +3 t ) ergibt
B2(-1|24|-15).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅6 = 36, 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= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

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

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

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

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 3 d 1 = d 2 6

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 2 = 24 |⋅6
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +3 x 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: 2 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 495. 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 +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 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 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 2 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 2 d 3 d 5 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 495 |⋅180
d 3 = 89100 | 3
d = 89100 3

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -45 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-22|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.