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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(4|5|6), B(-20|-3|-6) und C(1|-3|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 = ( 4 5 6 ) + ( 21 0 7 ) = ( 25 5 13 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(25|5|13).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -20-4 -3-5 -6-6 ) = ( -24 -8 -12 ) und AD = BC = ( 1-( - 20 ) -3-( - 3 ) 1-( - 6 ) ) = ( 21 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -8 -12 ) × ( 21 0 7 ) = ( -8 · 7 - ( -12 ) · 0 -12 · 21 - ( -24 ) · 7 -24 · 0 - ( -8 ) · 21 ) = ( -56 +0 -252 +168 0 +168 ) = ( -56 -84 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 -84 168 ) | = (-56) 2 + (-84)2 + 168 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(-3|14|7), B(-3|-2|-5) und C(-3|5|-6).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -3-( - 3 ) -2-14 -5-7 ) = ( 0 -16 -12 ) und AC = ( -3-( - 3 ) 5-14 -6-7 ) = ( 0 -9 -13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -16 -12 ) × ( 0 -9 -13 ) = ( -16 · ( -13 ) - ( -12 ) · ( -9 ) -12 · 0 - 0 · ( -13 ) 0 · ( -9 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( 208 -108 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 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|5|3), B(14|5|15), C(22|5|9) und D(13|5|-3) und als Spitze S(9|8|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 = ( 14-5 5-5 15-3 ) = ( 9 0 12 ) und AD = BC = ( 22-14 5-5 9-15 ) = ( 8 0 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 9 0 12 ) × ( 8 0 -6 ) = ( 0 · ( -6 ) - 12 · 0 12 · 8 - 9 · ( -6 ) 9 · 0 - 0 · 8 ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 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 = ( 5 5 3 ) + r ( 9 0 12 ) + s ( 8 0 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 9 0 12 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 12 t -9 ) für jedes t orthogonal zu ( 9 0 12 ) , denn ( 9 0 12 ) ( 12 t -9 ) =912 + 0t + 12(-9) = 108+0-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 0 -6 ) ( 12 t -9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 9 0 12 ) × ( 8 0 -6 ) = ( 0 · ( -6 ) - 12 · 0 12 · 8 - 9 · ( -6 ) 9 · 0 - 0 · 8 ) = ( 0+0 96 +54 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( 9 0 12 ) und ( 8 0 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 5 5 3 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|5|3) erhält man
d = 05 + 15 + 03
also:

+ x 2 = 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 = | 0 9+1 8+0 0-5 | 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(0|7|-6), B(8|-29|18), C(28|-42|12) und als Spitze S(29|14|15).
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 = ( 8-0 -29-7 18-( - 6 ) ) = ( 8 -36 24 ) und AC = ( 28-0 -42-7 12-( - 6 ) ) = ( 28 -49 18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -36 24 ) × ( 28 -49 18 ) = ( -36 · 18 - 24 · ( -49 ) 24 · 28 - 8 · 18 8 · ( -49 ) - ( -36 ) · 28 ) = ( -648 +1176 672 -144 -392 +1008 ) = ( 528 528 616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 528 528 616 ) | = 528 2 + 5282 + 616 2 = 937024 = 968 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 ⋅ 968 = 484.

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 = ( 0 7 -6 ) + r ( 8 -36 24 ) + s ( 28 -49 18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 8 -36 24 ) × ( 28 -49 18 ) = ( -36 · 18 - 24 · ( -49 ) 24 · 28 - 8 · 18 8 · ( -49 ) - ( -36 ) · 28 ) = ( -648 +1176 672 -144 -392 +1008 ) = ( 528 528 616 ) = 88⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( 8 -36 24 ) und ( 28 -49 18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 7 -6 ) ] ( 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(0|7|-6) erhält man
d = 60 + 67 + 7(-6)
also:

6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = 0

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 29+6 14+7 15-0 | 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 · 484 · 33 = 5324

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-5|3|4), der Punkt C(-9|2|-5) und die Gerade g: x = ( -5 3 4 ) +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 = ( -9-( - 5 ) 2-3 -5-4 ) = ( -4 -1 -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 ) × ( -4 -1 -9 ) = ( 3 t · ( -9 ) - 6 t · ( -1 ) 6 t · ( -4 ) - ( -2 t ) · ( -9 ) -2 t · ( -1 ) - 3 t · ( -4 ) ) = ( -27 t +6 t -24 t -18 t 2 t +12 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 ( -5 -2 t | 3 +3 t | 4 +6 t ) ergibt
B1(-15|18|34).

2. Fall

- 49t = 245 |: -49

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -5 -2 t | 3 +3 t | 4 +6 t ) ergibt
B2(5|-12|-26).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +4 0 +5 0 = 60 => x= 60 2 =30, also S1(30|0|0)
S2: 2 0 +4 y +5 0 = 60 => y= 60 4 =15, also S2(0|15|0)
S3: 2 0 +4 0 +5 z = 60 => z= 60 5 =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 ⋅ 30⋅15 = 225, 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 ⋅225⋅12
=900

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +2 x 2 +2 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 8. 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 +2 x 2 +2 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 +2 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 2 d 2 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 8 |⋅8
d 2 = 64 | 2
d1 = - 64 = -8
d2 = 64 = 8

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 8

Aber auch E2: 2 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -8 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 8 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 +5 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 900. 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 +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 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 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 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 5 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 5 = d 3 240

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 240 d 3 = 900 |⋅240
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-12). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.