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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(1|7|2), B(-7|15|-2) und C(5|6|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 = ( 1 7 2 ) + ( 12 -9 3 ) = ( 13 -2 5 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(13|-2|5).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -7-1 15-7 -2-2 ) = ( -8 8 -4 ) und AD = BC = ( 5-( - 7 ) 6-15 1-( - 2 ) ) = ( 12 -9 3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -8 8 -4 ) × ( 12 -9 3 ) = ( 8 · 3 - ( -4 ) · ( -9 ) -4 · 12 - ( -8 ) · 3 -8 · ( -9 ) - 8 · 12 ) = ( 24 -36 -48 +24 72 -96 ) = ( -12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -12 -24 -24 ) | = (-12) 2 + (-24)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-8|-4|1), B(-20|-20|1) und C(-9|3|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 = ( -20-( - 8 ) -20-( - 4 ) 1-1 ) = ( -12 -16 0 ) und AC = ( -9-( - 8 ) 3-( - 4 ) 1-1 ) = ( -1 7 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 -16 0 ) × ( -1 7 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · 7 0 · ( -1 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 7 - ( -16 ) · ( -1 ) ) = ( 0+0 0+0 -84 -16 ) = ( 0 0 -100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 -100 ) | = 0 2 + 02 + (-100) 2 = 10000 = 100 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 ⋅ 100 = 50.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-9|-1|-7), B(7|3|25), C(3|20|35) und D(-13|16|3) und als Spitze S(12|20|-10). 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-( - 9 ) 3-( - 1 ) 25-( - 7 ) ) = ( 16 4 32 ) und AD = BC = ( 3-7 20-3 35-25 ) = ( -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 + (-288)2 + 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 = ( -9 -1 -7 ) + 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 - ( -9 -1 -7 ) ] ( 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(-9|-1|-7) erhält man
d = 7(-9) + 4(-1) + (-4)(-7)
also:

7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = -39

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 12+4 20-4 ( - 10 )+39 | 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|-1), B(3|-4|-5), C(-1|0|-7) und als Spitze S(9|5|-8).
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 = ( 3-5 -4-0 -5-( - 1 ) ) = ( -2 -4 -4 ) und AC = ( -1-5 0-0 -7-( - 1 ) ) = ( -6 0 -6 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 12 -24 ) | = 24 2 + 122 + (-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 -1 ) + r ( -2 -4 -4 ) + s ( -6 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -6 0 -6 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -6 t 6 ) für jedes t orthogonal zu ( -6 0 -6 ) , denn ( -6 0 -6 ) ( -6 t 6 ) =(-6)(-6) + 0t + (-6)6 = 36+0-36=0.

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

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

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

= 12⋅ ( 2 1 -2 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|0|-1) erhält man
d = 25 + 10 + (-2)(-1)
also:

2 x 1 + x 2 -2 x 3 = 12

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 = | 2 9+1 5-2 ( - 8 )-12 | 2 2 + 1 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(-9|-6|-14), der Punkt C(1|2|-5) und die Gerade g: x = ( -9 -6 -14 ) +t ( 2 3 6 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 122,5 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 3 t 6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 1-( - 9 ) 2-( - 6 ) -5-( - 14 ) ) = ( 10 8 9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 2 t 3 t 6 t ) × ( 10 8 9 ) = ( 3 t · 9 - 6 t · 8 6 t · 10 - 2 t · 9 2 t · 8 - 3 t · 10 ) = ( 27 t -48 t 60 t -18 t 16 t -30 t ) = ( -21 t 42 t -14 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -21 t 42 t -14 t ) | = 441 t 2 +1764 t 2 +196 t 2 = 2401 t 2 = | 49t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 122,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 122,5 |⋅2

| 49t | = 245

1. Fall

49t = 245 |: 49

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +2 t | -6 +3 t | -14 +6 t ) ergibt
B1(1|9|16).

2. Fall

- 49t = 245 |: -49

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -9 +2 t | -6 +3 t | -14 +6 t ) ergibt
B2(-19|-21|-44).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 + x 2 + x 3 = 6 .

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 2 x 1 + x 2 + x 3 = 6 ein.

S1: 2 x +1 0 +1 0 = 6 => x= 6 2 =3, also S1(3|0|0)
S2: 2 0 +1 y +1 0 = 6 => y=6=6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +1 0 +1 z = 6 => z=6=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 ⋅ 3⋅6 = 9, 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 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 3 x +3 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +3 y +3 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 3 0 +3 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 OS1 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 3 d 3 = d 2 18

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 18 d 2 = 2 |⋅18
d 2 = 36 | 2
d1 = - 36 = -6
d2 = 36 = 6

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-2|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-2). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 6 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 150. 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 = 150 |⋅180
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.