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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|-16|-10), B(-5|0|2) und C(-5|-7|3) 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 -16 -10 ) + ( 0 -7 1 ) = ( -5 -23 -9 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-5|-23|-9).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -5-( - 5 ) 0-( - 16 ) 2-( - 10 ) ) = ( 0 16 12 ) und AD = BC = ( -5-( - 5 ) -7-0 3-2 ) = ( 0 -7 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 16 12 ) × ( 0 -7 1 ) = ( 16 · 1 - 12 · ( -7 ) 12 · 0 - 0 · 1 0 · ( -7 ) - 16 · 0 ) = ( 16 +84 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(-4|5|0), B(8|5|16) und C(0|5|-3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 8-( - 4 ) 5-5 16-0 ) = ( 12 0 16 ) und AC = ( 0-( - 4 ) 5-5 -3-0 ) = ( 4 0 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 0 16 ) × ( 4 0 -3 ) = ( 0 · ( -3 ) - 16 · 0 16 · 4 - 12 · ( -3 ) 12 · 0 - 0 · 4 ) = ( 0+0 64 +36 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 0 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(-5|3|-3), B(1|3|5), C(9|3|-1) und D(3|3|-9) und als Spitze S(-1|6|-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 = ( 1-( - 5 ) 3-3 5-( - 3 ) ) = ( 6 0 8 ) und AD = BC = ( 9-1 3-3 -1-5 ) = ( 8 0 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 0 8 ) × ( 8 0 -6 ) = ( 0 · ( -6 ) - 8 · 0 8 · 8 - 6 · ( -6 ) 6 · 0 - 0 · 8 ) = ( 0+0 64 +36 0+0 ) = ( 0 100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 100 0 ) | = 0 2 + 1002 + 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.

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 3 -3 ) + r ( 6 0 8 ) + s ( 8 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 6 0 8 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 8 t -6 ) für jedes t orthogonal zu ( 6 0 8 ) , denn ( 6 0 8 ) ( 8 t -6 ) =68 + 0t + 8(-6) = 48+0-48=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 0 -6 ) ( 8 t -6 ) = 0⋅t +100 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 8 - 1 0 -6 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 6 0 8 ) × ( 8 0 -6 ) = ( 0 · ( -6 ) - 8 · 0 8 · 8 - 6 · ( -6 ) 6 · 0 - 0 · 8 ) = ( 0+0 64 +36 0+0 ) = ( 0 100 0 )

= 100⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 6 0 8 ) und ( 8 0 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -5 3 -3 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-5|3|-3) erhält man
d = 0(-5) + 13 + 0(-3)
also:

+ x 2 = 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 )+1 6+0 ( - 6 )-3 | 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 · 100 · 3 = 100

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(12|3|8), B(-15|-3|-10), C(-28|-23|-4) und als Spitze S(-17|10|29).
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 = ( -15-12 -3-3 -10-8 ) = ( -27 -6 -18 ) und AC = ( -28-12 -23-3 -4-8 ) = ( -40 -26 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -40 -26 -12 ) = ( -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -26 ) -18 · ( -40 ) - ( -27 ) · ( -12 ) -27 · ( -26 ) - ( -6 ) · ( -40 ) ) = ( 72 -468 720 -324 702 -240 ) = ( -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 = ( 12 3 8 ) + r ( -27 -6 -18 ) + s ( -40 -26 -12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 -6 -18 ) × ( -40 -26 -12 ) = ( -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -26 ) -18 · ( -40 ) - ( -27 ) · ( -12 ) -27 · ( -26 ) - ( -6 ) · ( -40 ) ) = ( 72 -468 720 -324 702 -240 ) = ( -396 396 462 ) = 66⋅ ( -6 6 7 )

Weil der Vektor ( -6 6 7 ) orthogonal zu ( -27 -6 -18 ) und ( -40 -26 -12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 12 3 8 ) ] ( -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(12|3|8) erhält man
d = (-6)12 + 63 + 78
also:

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

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 ( - 17 )+6 10+7 29-2 | ( - 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|4), der Punkt C(-3|7|3) und die Gerade g: x = ( -4 3 4 ) +t ( 1 -2 2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 9 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 ( t -2 t 2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -3-( - 4 ) 7-3 3-4 ) = ( 1 4 -1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( t -2 t 2 t ) × ( 1 4 -1 ) = ( -2 t · ( -1 ) - 2 t · 4 2 t · 1 - t · ( -1 ) t · 4 - ( -2 t ) · 1 ) = ( 2 t -8 t 2 t + t 4 t +2 t ) = ( -6 t 3 t 6 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -6 t 3 t 6 t ) | = 36 t 2 +9 t 2 +36 t 2 = 81 t 2 = | 9t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 9 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 9t | = 9 |⋅2

| 9t | = 18

1. Fall

9t = 18 |: 9

t = 2

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

2. Fall

- 9t = 18 |: -9

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -4 +1 t | 3 -2 t | 4 +2 t ) ergibt
B2(-6|7|0).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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⋅6 = 36, 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= 8 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅36⋅8
=96

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +5 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 45. 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 +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 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +2 0 +5 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 45 |⋅20
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-15|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 30 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 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 16. 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 +3 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 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +2 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 0 +2 0 +3 z = d => z = d 3 , also S3(0|0| d 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 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 3 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 3 = d 3 108

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 16 |⋅108
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

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

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.