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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-27|-2|-12), B(5|2|4) und C(-2|9|-4) 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 = ( -27 -2 -12 ) + ( -7 7 -8 ) = ( -34 5 -20 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-34|5|-20).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 27 ) 2-( - 2 ) 4-( - 12 ) ) = ( 32 4 16 ) und AD = BC = ( -2-5 9-2 -4-4 ) = ( -7 7 -8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 32 4 16 ) × ( -7 7 -8 ) = ( 4 · ( -8 ) - 16 · 7 16 · ( -7 ) - 32 · ( -8 ) 32 · 7 - 4 · ( -7 ) ) = ( -32 -112 -112 +256 224 +28 ) = ( -144 144 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -144 144 252 ) | = (-144) 2 + 1442 + 252 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(12|-24|0), B(-4|8|-4) und C(4|1|-11).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -4-12 8-( - 24 ) -4-0 ) = ( -16 32 -4 ) und AC = ( 4-12 1-( - 24 ) -11-0 ) = ( -8 25 -11 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 32 -4 ) × ( -8 25 -11 ) = ( 32 · ( -11 ) - ( -4 ) · 25 -4 · ( -8 ) - ( -16 ) · ( -11 ) -16 · 25 - 32 · ( -8 ) ) = ( -352 +100 32 -176 -400 +256 ) = ( -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|1|9), B(-3|10|-3), C(-3|21|-1) und D(-3|12|11) und als Spitze S(0|8|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 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 = ( -3-( - 3 ) 10-1 -3-9 ) = ( 0 9 -12 ) und AD = BC = ( -3-( - 3 ) 21-10 -1-( - 3 ) ) = ( 0 11 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 9 -12 ) × ( 0 11 2 ) = ( 9 · 2 - ( -12 ) · 11 -12 · 0 - 0 · 2 0 · 11 - 9 · 0 ) = ( 18 +132 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 150 0 0 ) | = 150 2 + 02 + 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 = ( -3 1 9 ) + r ( 0 9 -12 ) + s ( 0 11 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 9 -12 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 12 9 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 9 -12 ) , denn ( 0 9 -12 ) ( t 12 9 ) =0t + 912 + (-12)9 = 0+108-108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 11 2 ) ( t 12 9 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 9 -12 ) × ( 0 11 2 ) = ( 9 · 2 - ( -12 ) · 11 -12 · 0 - 0 · 2 0 · 11 - 9 · 0 ) = ( 18 +132 0+0 0+0 ) = ( 150 0 0 )

= 150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 9 -12 ) und ( 0 11 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 1 9 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|1|9) erhält man
d = 1(-3) + 01 + 09
also:

x 1 = -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 = | 1 0+0 8+0 8+3 | 1 2 + 0 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(3|3|2), B(-15|-24|-4), C(-3|-28|-22) und als Spitze S(30|-17|11).
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 = ( -15-3 -24-3 -4-2 ) = ( -18 -27 -6 ) und AC = ( -3-3 -28-3 -22-2 ) = ( -6 -31 -24 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -18 -27 -6 ) × ( -6 -31 -24 ) = ( -27 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -31 ) -6 · ( -6 ) - ( -18 ) · ( -24 ) -18 · ( -31 ) - ( -27 ) · ( -6 ) ) = ( 648 -186 36 -432 558 -162 ) = ( 462 -396 396 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 462 -396 396 ) | = 462 2 + (-396)2 + 396 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 = ( 3 3 2 ) + r ( -18 -27 -6 ) + s ( -6 -31 -24 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -18 -27 -6 ) × ( -6 -31 -24 ) = ( -27 · ( -24 ) - ( -6 ) · ( -31 ) -6 · ( -6 ) - ( -18 ) · ( -24 ) -18 · ( -31 ) - ( -27 ) · ( -6 ) ) = ( 648 -186 36 -432 558 -162 ) = ( 462 -396 396 ) = 66⋅ ( 7 -6 6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 6 ) orthogonal zu ( -18 -27 -6 ) und ( -6 -31 -24 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 3 2 ) ] ( 7 -6 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|3|2) erhält man
d = 73 + (-6)3 + 62
also:

7 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = 15

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 30-6 ( - 17 )+6 11-15 | 7 2 + ( - 6 ) 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(8|-5|-19), der Punkt C(0|6|6) und die Gerade g: x = ( 8 -5 -19 ) +t ( -4 1 8 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121,5 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 ( -4 t t 8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 0-8 6-( - 5 ) 6-( - 19 ) ) = ( -8 11 25 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -4 t t 8 t ) × ( -8 11 25 ) = ( t · 25 - 8 t · 11 8 t · ( -8 ) - ( -4 t ) · 25 -4 t · 11 - t · ( -8 ) ) = ( 25 t -88 t -64 t +100 t -44 t +8 t ) = ( -63 t 36 t -36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -63 t 36 t -36 t ) | = 3969 t 2 +1296 t 2 +1296 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 8 -4 t | -5 +1 t | -19 +8 t ) ergibt
B1(-4|-2|5).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 8 -4 t | -5 +1 t | -19 +8 t ) ergibt
B2(20|-8|-43).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 36 .

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 = 36 ein.

S1: 2 x +4 0 +3 0 = 36 => x= 36 2 =18, also S1(18|0|0)
S2: 2 0 +4 y +3 0 = 36 => y= 36 4 =9, also S2(0|9|0)
S3: 2 0 +4 0 +3 z = 36 => z= 36 3 =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 ⋅ 18⋅9 = 81, 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 ⋅81⋅12
=324

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +5 x 2 +4 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 180. 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 +5 x 2 +4 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 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 2 d 5 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 180 |⋅20
d 2 = 3600 | 2
d1 = - 3600 = -60
d2 = 3600 = 60

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

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

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4050. 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 +3 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 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 x +3 0 +2 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 5 0 +3 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 5 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 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 5 d 3 d 2 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 4050 |⋅180
d 3 = 729000 | 3
d = 729000 3 = 90

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 90

Aber auch E2: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -90 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-30|0) und S3(0|0|-45). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 90 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.