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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|6|0), B(-5|22|-12) und C(-5|-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 → = ( -5 6 0 ) + ( 0 -23 11 ) = ( -5 -17 11 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-5|-17|11).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -5-( - 5 ) 22-6 -12-0 ) = ( 0 16 -12 ) und AD → = BC → = ( -5-( - 5 ) -1-22 -1-( - 12 ) ) = ( 0 -23 11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 16 -12 ) × ( 0 -23 11 ) = ( 16 · 11 - ( -12 ) · ( -23 ) -12 · 0 - 0 · 11 0 · ( -23 ) - 16 · 0 ) = ( 176 -276 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.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-1|0|3), B(23|8|-9) und C(-4|6|1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( 23-( - 1 ) 8-0 -9-3 ) = ( 24 8 -12 ) und AC → = ( -4-( - 1 ) 6-0 1-3 ) = ( -3 6 -2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 24 8 -12 ) × ( -3 6 -2 ) = ( 8 · ( -2 ) - ( -12 ) · 6 -12 · ( -3 ) - 24 · ( -2 ) 24 · 6 - 8 · ( -3 ) ) = ( -16 +72 36 +48 144 +24 ) = ( 56 84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 56 84 168 ) | = 56 2 + 842 + 168 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(-5|-1|2), B(7|-1|-7), C(1|-1|-15) und D(-11|-1|-6) und als Spitze S(-8|2|-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 → = ( 7-( - 5 ) -1-( - 1 ) -7-2 ) = ( 12 0 -9 ) und AD → = BC → = ( 1-7 -1-( - 1 ) -15-( - 7 ) ) = ( -6 0 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 12 0 -9 ) × ( -6 0 -8 ) = ( 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -6 ) - 12 · ( -8 ) 12 · 0 - 0 · ( -6 ) ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 150.

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 → = ( -5 -1 2 ) + r ⋅ ( 12 0 -9 ) + s ⋅ ( -6 0 -8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 0 -9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 t -12 ) für jedes t orthogonal zu ( 12 0 -9 ) , denn ( 12 0 -9 ) ∘ ( -9 t -12 ) =12⋅(-9) + 0⋅t + (-9)⋅(-12) = -108+0+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -6 0 -8 ) ⋅ ( -9 t -12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( -9 - 1 0 -12 ) = 1 0 ⋅ ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( 12 0 -9 ) × ( -6 0 -8 ) = ( 0 · ( -8 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -6 ) - 12 · ( -8 ) 12 · 0 - 0 · ( -6 ) ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 12 0 -9 ) und ( -6 0 -8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 -1 2 ) ] ∘ ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|-1|2) erhält man
d = 0⋅(-5) + 1⋅(-1) + 0⋅2
also:

+ x 2 = -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 = | 0 ⋅ ( - 8 )+1 ⋅ 2+0 ⋅ ( - 2 )+1 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|1|-1), B(22|-5|17), C(26|-23|5) und als Spitze S(-21|-26|14).
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 → = ( 22-( - 5 ) -5-1 17-( - 1 ) ) = ( 27 -6 18 ) und AC → = ( 26-( - 5 ) -23-1 5-( - 1 ) ) = ( 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 → = ( -5 1 -1 ) + 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 → - ( -5 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(-5|1|-1) erhält man
d = (-6)⋅(-5) + (-6)⋅1 + 7⋅(-1)
also:

-6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 17

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 ⋅ ( - 21 )-6 ⋅ ( - 26 )+7 ⋅ 14-17 | ( - 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(-4|-3|2), der Punkt C(3|5|-5) und die Gerade g: x → = ( -4 -3 2 ) +t⋅ ( -8 -4 -1 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 202,5 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 ( -8 t -4 t -1 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 3-( - 4 ) 5-( - 3 ) -5-2 ) = ( 7 8 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 t -4 t -1 t ) × ( 7 8 -7 ) = ( -4 t · ( -7 ) - ( - t ) · 8 - t · 7 - ( -8 t ) · ( -7 ) -8 t · 8 - ( -4 t ) · 7 ) = ( 28 t +8 t -7 t -56 t -64 t +28 t ) = ( 36 t -63 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 36 t -63 t -36 t ) | = 1296 t 2 +3969 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 202,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 202,5 |⋅2

| 81t | = 405

1. Fall

81t = 405 |: 81

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 -8 t | -3 -4 t | 2 -1 t ) ergibt
B1(-44|-23|-3).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 -8 t | -3 -4 t | 2 -1 t ) ergibt
B2(36|17|7).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 + x 2 +5 x 3 = 15 .

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 + x 2 +5 x 3 = 15 ein.

S1: 1 ⋅ x +1⋅ 0 +5⋅ 0 = 15 => x=15=15, also S1(15|0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +1⋅ y +5⋅ 0 = 15 => y=15=15, also S2(0|15|0)
S3: 1 ⋅ 0 +1⋅ 0 +5⋅ z = 15 => z= 15 5 =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 ⋅ 15⋅15 = 112.5, 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 ⋅112.5⋅3
=112.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 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 1440. 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 +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 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 ⋅ x +5⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +5⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 ⋅ 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 = 1440 |⋅40
d 2 = 57600 | ⋅2
d1 = - 57600 = -240
d2 = 57600 = 240

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 240

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -240 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-80|0|0), S2(0|-48|0) und S3(0|0|-60). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 240 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 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4050. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 4050 |⋅180
d 3 = 729000 | ⋅3
d = 729000 3 = 90

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 90

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -90 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-30|0|0), S2(0|-45|0) und S3(0|0|-18). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 90 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.