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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-9|4|7), B(-1|-8|-17) und C(1|-4|-2) 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 → = ( -9 4 7 ) + ( 2 4 15 ) = ( -7 8 22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-7|8|22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -1-( - 9 ) -8-4 -17-7 ) = ( 8 -12 -24 ) und AD → = BC → = ( 1-( - 1 ) -4-( - 8 ) -2-( - 17 ) ) = ( 2 4 15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 -12 -24 ) × ( 2 4 15 ) = ( -12 · 15 - ( -24 ) · 4 -24 · 2 - 8 · 15 8 · 4 - ( -12 ) · 2 ) = ( -180 +96 -48 -120 32 +24 ) = ( -84 -168 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -84 -168 56 ) | = (-84) 2 + (-168)2 + 56 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(23|-21|-4), B(-13|3|4) und C(-6|-9|11).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB → = ( -13-23 3-( - 21 ) 4-( - 4 ) ) = ( -36 24 8 ) und AC → = ( -6-23 -9-( - 21 ) 11-( - 4 ) ) = ( -29 12 15 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -36 24 8 ) × ( -29 12 15 ) = ( 24 · 15 - 8 · 12 8 · ( -29 ) - ( -36 ) · 15 -36 · 12 - 24 · ( -29 ) ) = ( 360 -96 -232 +540 -432 +696 ) = ( 264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 264 308 264 ) | = 264 2 + 3082 + 264 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(6|3|-3), B(-10|7|29), C(-6|24|39) und D(10|20|7) und als Spitze S(-15|24|-6). 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 → = ( -10-6 7-3 29-( - 3 ) ) = ( -16 4 32 ) und AD → = BC → = ( -6-( - 10 ) 24-7 39-29 ) = ( 4 17 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -16 4 32 ) × ( 4 17 10 ) = ( 4 · 10 - 32 · 17 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · 17 - 4 · 4 ) = ( 40 -544 128 +160 -272 -16 ) = ( -504 288 -288 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -504 288 -288 ) | = (-504) 2 + 2882 + (-288) 2 = 419904 = 648 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 648.

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 → = ( 6 3 -3 ) + r ⋅ ( -16 4 32 ) + s ⋅ ( 4 17 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -16 4 32 ) × ( 4 17 10 ) = ( 4 · 10 - 32 · 17 32 · 4 - ( -16 ) · 10 -16 · 17 - 4 · 4 ) = ( 40 -544 128 +160 -272 -16 ) = ( -504 288 -288 ) = 72⋅ ( -7 4 -4 )

Weil der Vektor ( -7 4 -4 ) orthogonal zu ( -16 4 32 ) und ( 4 17 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 6 3 -3 ) ] ∘ ( -7 4 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(6|3|-3) erhält man
d = (-7)⋅6 + 4⋅3 + (-4)⋅(-3)
also:

-7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = -18

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 = | -7 ⋅ ( - 15 )+4 ⋅ 24-4 ⋅ ( - 6 )+18 | ( - 7 ) 2 + 4 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 · 648 · 27 = 5832

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-5|0|5), B(-9|4|3), C(-5|6|-1) und als Spitze S(0|7|9).
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 → = ( -9-( - 5 ) 4-0 3-5 ) = ( -4 4 -2 ) und AC → = ( -5-( - 5 ) 6-0 -1-5 ) = ( 0 6 -6 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + (-24) 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 → = ( -5 0 5 ) + r ⋅ ( -4 4 -2 ) + s ⋅ ( 0 6 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 6 -6 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 6 6 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 6 -6 ) , denn ( 0 6 -6 ) ∘ ( t 6 6 ) =0⋅t + 6⋅6 + (-6)⋅6 = 0+36-36=0.

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

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

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

= -12⋅ ( 1 2 2 )

Weil der Vektor ( 1 2 2 ) orthogonal zu ( -4 4 -2 ) und ( 0 6 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -5 0 5 ) ] ∘ ( 1 2 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 +2 x 2 +2 x 3 = d

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

x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 5

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 ⋅ 0+2 ⋅ 7+2 ⋅ 9-5 | 1 2 + 2 2 + 2 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(0|8|-17), der Punkt C(0|-5|-8) und die Gerade g: x → = ( 0 8 -17 ) +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 → = ( 0-0 -5-8 -8-( - 17 ) ) = ( 0 -13 9 ) .

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 -13 9 ) = ( -3 t · 9 - 4 t · ( -13 ) 4 t · 0 - 0 · 9 0 · ( -13 ) - ( -3 t ) · 0 ) = ( -27 t +52 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 ( 0 +0 t | 8 -3 t | -17 +4 t ) ergibt
B1(0|2|-9).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 0 +0 t | 8 -3 t | -17 +4 t ) ergibt
B2(0|14|-25).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18 .

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 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18 ein.

S1: 3 ⋅ x +2⋅ 0 +3⋅ 0 = 18 => x= 18 3 =6, also S1(6|0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +2⋅ y +3⋅ 0 = 18 => y= 18 2 =9, also S2(0|9|0)
S3: 3 ⋅ 0 +2⋅ 0 +3⋅ z = 18 => z= 18 3 =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⋅9 = 27, 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 ⋅27⋅6
=54

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +2 x 2 +5 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 270. 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 (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 +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 )

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 5 = d 2 30

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 30 d 2 = 270 |⋅30
d 2 = 8100 | ⋅2
d1 = - 8100 = -90
d2 = 8100 = 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 das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 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 36. 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 + 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 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 ⋅ x +2⋅ 0 +1⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +2⋅ y +1⋅ 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 ⋅ 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 4 ⋅ 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 4 ⋅ d 2 ⋅ d 1 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | ⋅3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 4 x 1 +2 x 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|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 + x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.