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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|-4|-3), B(-19|-40|5) und C(11|-6|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 = ( 5 -4 -3 ) + ( 30 34 1 ) = ( 35 30 -2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(35|30|-2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -19-5 -40-( - 4 ) 5-( - 3 ) ) = ( -24 -36 8 ) und AD = BC = ( 11-( - 19 ) -6-( - 40 ) 6-5 ) = ( 30 34 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -36 8 ) × ( 30 34 1 ) = ( -36 · 1 - 8 · 34 8 · 30 - ( -24 ) · 1 -24 · 34 - ( -36 ) · 30 ) = ( -36 -272 240 +24 -816 +1080 ) = ( -308 264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 264 264 ) | = (-308) 2 + 2642 + 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(-2|2|-5), B(-10|6|3) und C(-5|5|-5).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -10-( - 2 ) 6-2 3-( - 5 ) ) = ( -8 4 8 ) und AC = ( -5-( - 2 ) 5-2 -5-( - 5 ) ) = ( -3 3 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -24 -24 -12 ) | = (-24) 2 + (-24)2 + (-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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-1|-3), B(10|8|-3), C(8|19|-3) und D(-4|10|-3) und als Spitze S(-1|6|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 = ( 10-( - 2 ) 8-( - 1 ) -3-( - 3 ) ) = ( 12 9 0 ) und AD = BC = ( 8-10 19-8 -3-( - 3 ) ) = ( -2 11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 9 0 ) × ( -2 11 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 11 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · 11 - 9 · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 132 +18 ) = ( 0 0 150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 150 ) | = 0 2 + 02 + 150 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 = ( -2 -1 -3 ) + r ( 12 9 0 ) + s ( -2 11 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 12 9 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 12 t ) für jedes t orthogonal zu ( 12 9 0 ) , denn ( 12 9 0 ) ( -9 12 t ) =12(-9) + 912 + 0t = -108+108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -2 11 0 ) ( -9 12 t ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 9 0 ) × ( -2 11 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 11 0 · ( -2 ) - 12 · 0 12 · 11 - 9 · ( -2 ) ) = ( 0+0 0+0 132 +18 ) = ( 0 0 150 )

= 150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( 12 9 0 ) und ( -2 11 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -1 -3 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

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

+ x 3 = -3

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 ( - 1 )+0 6+1 0+3 | 0 2 + 0 2 + 1 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(4|3|3), B(20|-5|1), C(22|3|-15) und als Spitze S(17|28|7).
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 = ( 20-4 -5-3 1-3 ) = ( 16 -8 -2 ) und AC = ( 22-4 3-3 -15-3 ) = ( 18 0 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -8 -2 ) × ( 18 0 -18 ) = ( -8 · ( -18 ) - ( -2 ) · 0 -2 · 18 - 16 · ( -18 ) 16 · 0 - ( -8 ) · 18 ) = ( 144 +0 -36 +288 0 +144 ) = ( 144 252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 144 252 144 ) | = 144 2 + 2522 + 144 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.

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 3 3 ) + r ( 16 -8 -2 ) + s ( 18 0 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 18 0 -18 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -18 t -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 18 0 -18 ) , denn ( 18 0 -18 ) ( -18 t -18 ) =18(-18) + 0t + (-18)(-18) = -324+0+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 16 -8 -2 ) ( -18 t -18 ) = -8⋅t -252 = 0 wird, also t= - 63 2 = - 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -18 - 63 2 -18 ) = 1 2 ( -36 -63 -36 ) = -9 2 ( 4 7 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 16 -8 -2 ) × ( 18 0 -18 ) = ( -8 · ( -18 ) - ( -2 ) · 0 -2 · 18 - 16 · ( -18 ) 16 · 0 - ( -8 ) · 18 ) = ( 144 +0 -36 +288 0 +144 ) = ( 144 252 144 )

= 36⋅ ( 4 7 4 )

Weil der Vektor ( 4 7 4 ) orthogonal zu ( 16 -8 -2 ) und ( 18 0 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 3 3 ) ] ( 4 7 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|3|3) erhält man
d = 44 + 73 + 43
also:

4 x 1 +7 x 2 +4 x 3 = 49

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 17+7 28+4 7-49 | 4 2 + 7 2 + 4 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-5|-6|1), der Punkt C(-5|-7|8) und die Gerade g: x = ( -5 -6 1 ) +t ( 0 -3 -4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 25 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 -3 t -4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -5-( - 5 ) -7-( - 6 ) 8-1 ) = ( 0 -1 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t -3 t -4 t ) × ( 0 -1 7 ) = ( -3 t · 7 - ( -4 t ) · ( -1 ) -4 t · 0 - 0 · 7 0 · ( -1 ) - ( -3 t ) · 0 ) = ( -21 t -4 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 25 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 25 |⋅2

| 25t | = 50

1. Fall

25t = 50 |: 25

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 +0 t | -6 -3 t | 1 -4 t ) ergibt
B1(-5|-12|-7).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 +0 t | -6 -3 t | 1 -4 t ) ergibt
B2(-5|0|9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24 .

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 4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 24 ein.

S1: 4 x +3 0 +2 0 = 24 => x= 24 4 =6, also S1(6|0|0)
S2: 4 0 +3 y +2 0 = 24 => y= 24 3 =8, also S2(0|8|0)
S3: 4 0 +3 0 +2 z = 24 => z= 24 2 =12, also S3(0|0|12)

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⋅8 = 24, 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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅24⋅12
=96

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 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 480. 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 +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 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +5 0 +3 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +5 y +3 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 2 0 +5 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 5 d 3 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 480 |⋅30
d 2 = 14400 | 2
d1 = - 14400 = -120
d2 = 14400 = 120

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 120

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -120 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-60|0|0), S2(0|-24|0) und S3(0|0|-40). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 120 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 +5 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 360. 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 +5 x 2 +4 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 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 OS2= d 4 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 5 d 4 = d 3 600

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 600 d 3 = 360 |⋅600
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.