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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|-1|3), B(6|-25|39) und C(7|5|5) 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 = ( -2 -1 3 ) + ( 1 30 -34 ) = ( -1 29 -31 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-1|29|-31).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 2 ) -25-( - 1 ) 39-3 ) = ( 8 -24 36 ) und AD = BC = ( 7-6 5-( - 25 ) 5-39 ) = ( 1 30 -34 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -24 36 ) × ( 1 30 -34 ) = ( -24 · ( -34 ) - 36 · 30 36 · 1 - 8 · ( -34 ) 8 · 30 - ( -24 ) · 1 ) = ( 816 -1080 36 +272 240 +24 ) = ( -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(-3|12|1), B(13|-20|-3) und C(-3|3|-8).

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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-( - 3 ) -20-12 -3-1 ) = ( 16 -32 -4 ) und AC = ( -3-( - 3 ) 3-12 -8-1 ) = ( 0 -9 -9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 -32 -4 ) × ( 0 -9 -9 ) = ( -32 · ( -9 ) - ( -4 ) · ( -9 ) -4 · 0 - 16 · ( -9 ) 16 · ( -9 ) - ( -32 ) · 0 ) = ( 288 -36 0 +144 -144 +0 ) = ( 252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 252 144 -144 ) | = 252 2 + 1442 + (-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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(7|4|3), B(-20|-2|-15), C(-33|-22|-9) und D(-6|-16|9) und als Spitze S(-22|11|24). 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 = ( -20-7 -2-4 -15-3 ) = ( -27 -6 -18 ) und AD = BC = ( -33-( - 20 ) -22-( - 2 ) -9-( - 15 ) ) = ( -13 -20 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -13 -20 6 ) = ( -6 · 6 - ( -18 ) · ( -20 ) -18 · ( -13 ) - ( -27 ) · 6 -27 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -13 ) ) = ( -36 -360 234 +162 540 -78 ) = ( -396 396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 396 462 ) | = (-396) 2 + 3962 + 462 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 = ( 7 4 3 ) + r ( -27 -6 -18 ) + s ( -13 -20 6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -13 -20 6 ) = ( -6 · 6 - ( -18 ) · ( -20 ) -18 · ( -13 ) - ( -27 ) · 6 -27 · ( -20 ) - ( -6 ) · ( -13 ) ) = ( -36 -360 234 +162 540 -78 ) = ( -396 396 462 ) = 66⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( -27 -6 -18 ) und ( -13 -20 6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 7 4 3 ) ] ( -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(7|4|3) erhält man
d = (-6)7 + 64 + 73
also:

-6 x 1 +6 x 2 +7 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 = | -6 ( - 22 )+6 11+7 24-3 | ( - 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|1|3), B(2|-11|-15), C(20|1|-19) und als Spitze S(-11|28|-17).
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 = ( 2-( - 2 ) -11-1 -15-3 ) = ( 4 -12 -18 ) und AC = ( 20-( - 2 ) 1-1 -19-3 ) = ( 22 0 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -12 -18 ) × ( 22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 -18 · 22 - 4 · ( -22 ) 4 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( 264 +0 -396 +88 0 +264 ) = ( 264 -308 264 ) .

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

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 1 3 ) + r ( 4 -12 -18 ) + s ( 22 0 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 22 0 -22 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -22 t -22 ) für jedes t orthogonal zu ( 22 0 -22 ) , denn ( 22 0 -22 ) ( -22 t -22 ) =22(-22) + 0t + (-22)(-22) = -484+0+484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 4 -12 -18 ) ( -22 t -22 ) = -12⋅t +308 = 0 wird, also t= 77 3 = 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( -22 77 3 -22 ) = 1 3 ( -66 77 -66 ) = 11 3 ( -6 7 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 4 -12 -18 ) × ( 22 0 -22 ) = ( -12 · ( -22 ) - ( -18 ) · 0 -18 · 22 - 4 · ( -22 ) 4 · 0 - ( -12 ) · 22 ) = ( 264 +0 -396 +88 0 +264 ) = ( 264 -308 264 )

= -44⋅ ( -6 7 -6 )

Weil der Vektor ( -6 7 -6 ) orthogonal zu ( 4 -12 -18 ) und ( 22 0 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 1 3 ) ] ( -6 7 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|1|3) erhält man
d = (-6)(-2) + 71 + (-6)3
also:

-6 x 1 +7 x 2 -6 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 = | -6 ( - 11 )+7 28-6 ( - 17 )-1 | ( - 6 ) 2 + 7 2 + ( - 6 ) 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|5|-4), der Punkt C(-8|5|7) und die Gerade g: x = ( 3 5 -4 ) +t ( -2 -6 9 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 181,5 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 ( -2 t -6 t 9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -8-3 5-5 7-( - 4 ) ) = ( -11 0 11 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -2 t -6 t 9 t ) × ( -11 0 11 ) = ( -6 t · 11 - 9 t · 0 9 t · ( -11 ) - ( -2 t ) · 11 -2 t · 0 - ( -6 t ) · ( -11 ) ) = ( -66 t +0 -99 t +22 t 0 -66 t ) = ( -66 t -77 t -66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -66 t -77 t -66 t ) | = 4356 t 2 +5929 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 181,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 181,5 |⋅2

| 121t | = 363

1. Fall

121t = 363 |: 121

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -2 t | 5 -6 t | -4 +9 t ) ergibt
B1(-3|-13|23).

2. Fall

- 121t = 363 |: -121

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -2 t | 5 -6 t | -4 +9 t ) ergibt
B2(9|23|-31).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 60 .

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 +4 x 3 = 60 ein.

S1: 5 x +2 0 +4 0 = 60 => x= 60 5 =12, also S1(12|0|0)
S2: 5 0 +2 y +4 0 = 60 => y= 60 2 =30, also S2(0|30|0)
S3: 5 0 +2 0 +4 z = 60 => z= 60 4 =15, also S3(0|0|15)

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⋅30 = 180, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅180⋅15
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x2-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 40. 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:

x 1 +5 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 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +5 0 +5 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +5 y +5 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 1 0 +5 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 OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 1 d 5 = d 2 10

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 10 d 2 = 40 |⋅10
d 2 = 400 | 2
d1 = - 400 = -20
d2 = 400 = 20

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 20

Aber auch E2: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -20 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 20 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 + x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 9. 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 + x 2 +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 2 x 1 + x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 , 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 1 d 2 = d 3 24

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 3 = 9 |⋅24
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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