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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|21|23), B(6|-3|-13) und C(13|9|-6) 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 21 23 ) + ( 7 12 7 ) = ( 5 33 30 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(5|33|30).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 2 ) -3-21 -13-23 ) = ( 8 -24 -36 ) und AD = BC = ( 13-6 9-( - 3 ) -6-( - 13 ) ) = ( 7 12 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -24 -36 ) × ( 7 12 7 ) = ( -24 · 7 - ( -36 ) · 12 -36 · 7 - 8 · 7 8 · 12 - ( -24 ) · 7 ) = ( -168 +432 -252 -56 96 +168 ) = ( 264 -308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -308 264 ) | = 264 2 + (-308)2 + 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(-5|-3|-14), B(11|1|18) und C(-1|7|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 = ( 11-( - 5 ) 1-( - 3 ) 18-( - 14 ) ) = ( 16 4 32 ) und AC = ( -1-( - 5 ) 7-( - 3 ) 3-( - 14 ) ) = ( 4 10 17 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 4 32 ) × ( 4 10 17 ) = ( 4 · 17 - 32 · 10 32 · 4 - 16 · 17 16 · 10 - 4 · 4 ) = ( 68 -320 128 -272 160 -16 ) = ( -252 -144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 -144 144 ) | = (-252) 2 + (-144)2 + 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(3|-5|5), B(-1|-23|-7), C(-19|-27|5) und D(-15|-9|17) und als Spitze S(12|-25|32). 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 = ( -1-3 -23-( - 5 ) -7-5 ) = ( -4 -18 -12 ) und AD = BC = ( -19-( - 1 ) -27-( - 23 ) 5-( - 7 ) ) = ( -18 -4 12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 -18 -12 ) × ( -18 -4 12 ) = ( -18 · 12 - ( -12 ) · ( -4 ) -12 · ( -18 ) - ( -4 ) · 12 -4 · ( -4 ) - ( -18 ) · ( -18 ) ) = ( -216 -48 216 +48 16 -324 ) = ( -264 264 -308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 -308 ) | = (-264) 2 + 2642 + (-308) 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.

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 = ( 3 -5 5 ) + r ( -4 -18 -12 ) + s ( -18 -4 12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -4 -18 -12 ) × ( -18 -4 12 ) = ( -18 · 12 - ( -12 ) · ( -4 ) -12 · ( -18 ) - ( -4 ) · 12 -4 · ( -4 ) - ( -18 ) · ( -18 ) ) = ( -216 -48 216 +48 16 -324 ) = ( -264 264 -308 ) = -44⋅ ( 6 -6 7 )

Weil der Vektor ( 6 -6 7 ) orthogonal zu ( -4 -18 -12 ) und ( -18 -4 12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 -5 5 ) ] ( 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(3|-5|5) erhält man
d = 63 + (-6)(-5) + 75
also:

6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = 83

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 12-6 ( - 25 )+7 32-83 | 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

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(3|2|0), B(11|-14|-2), C(3|-16|-18) und als Spitze S(20|13|-20).
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 = ( 11-3 -14-2 -2-0 ) = ( 8 -16 -2 ) und AC = ( 3-3 -16-2 -18-0 ) = ( 0 -18 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -16 -2 ) × ( 0 -18 -18 ) = ( -16 · ( -18 ) - ( -2 ) · ( -18 ) -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 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.

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 = ( 3 2 0 ) + r ( 8 -16 -2 ) + s ( 0 -18 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -18 -18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 18 -18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -18 -18 ) , denn ( 0 -18 -18 ) ( t 18 -18 ) =0t + (-18)18 + (-18)(-18) = 0-324+324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 -16 -2 ) ( t 18 -18 ) = 8⋅t -252 = 0 wird, also t= 63 2 = 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 63 2 18 -18 ) = 1 2 ( 63 36 -36 ) = 9 2 ( 7 4 -4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 8 -16 -2 ) × ( 0 -18 -18 ) = ( -16 · ( -18 ) - ( -2 ) · ( -18 ) -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · ( -18 ) - ( -16 ) · 0 ) = ( 288 -36 0 +144 -144 +0 ) = ( 252 144 -144 )

= 36⋅ ( 7 4 -4 )

Weil der Vektor ( 7 4 -4 ) orthogonal zu ( 8 -16 -2 ) und ( 0 -18 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 2 0 ) ] ( 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(3|2|0) erhält man
d = 73 + 42 + (-4)0
also:

7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = 29

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 20+4 13-4 ( - 20 )-29 | 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 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|-11|3), der Punkt C(-1|-8|-5) und die Gerade g: x = ( -6 -11 3 ) +t ( 3 6 -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 = 73,5 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 ( 3 t 6 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 6 ) -8-( - 11 ) -5-3 ) = ( 5 3 -8 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 3 t 6 t -2 t ) × ( 5 3 -8 ) = ( 6 t · ( -8 ) - ( -2 t ) · 3 -2 t · 5 - 3 t · ( -8 ) 3 t · 3 - 6 t · 5 ) = ( -48 t +6 t -10 t +24 t 9 t -30 t ) = ( -42 t 14 t -21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -42 t 14 t -21 t ) | = 1764 t 2 +196 t 2 +441 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 73,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 73,5 |⋅2

| 49t | = 147

1. Fall

49t = 147 |: 49

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +3 t | -11 +6 t | 3 -2 t ) ergibt
B1(3|7|-3).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 +3 t | -11 +6 t | 3 -2 t ) ergibt
B2(-15|-29|9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 3 x +1 0 +3 0 = 6 => x= 6 3 =2, also S1(2|0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = 6 => y=6=6, also S2(0|6|0)
S3: 3 0 +1 0 +3 z = 6 => z= 6 3 =2, also S3(0|0|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 ⋅ 2⋅6 = 6, 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= 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅6⋅2
=4

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 5 x +2 0 +3 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +2 y +3 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 0 +2 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 OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 5 d 2 = 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 +3 x 3 = 30

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +3 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|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +3 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: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 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:

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

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 2 |⋅108
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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