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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|7|4), B(5|-9|4) und C(0|6|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 = ( -7 7 4 ) + ( -5 15 0 ) = ( -12 22 4 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-12|22|4).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 5-( - 7 ) -9-7 4-4 ) = ( 12 -16 0 ) und AD = BC = ( 0-5 6-( - 9 ) 4-4 ) = ( -5 15 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -16 0 ) × ( -5 15 0 ) = ( -16 · 0 - 0 · 15 0 · ( -5 ) - 12 · 0 12 · 15 - ( -16 ) · ( -5 ) ) = ( 0+0 0+0 180 -80 ) = ( 0 0 100 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 100 ) | = 0 2 + 02 + 100 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(-1|-4|4), B(-1|12|-8) und C(-1|1|-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 = ( -1-( - 1 ) 12-( - 4 ) -8-4 ) = ( 0 16 -12 ) und AC = ( -1-( - 1 ) 1-( - 4 ) -6-4 ) = ( 0 5 -10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 16 -12 ) × ( 0 5 -10 ) = ( 16 · ( -10 ) - ( -12 ) · 5 -12 · 0 - 0 · ( -10 ) 0 · 5 - 16 · 0 ) = ( -160 +60 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(-2|5|1), B(10|-19|9), C(17|-19|23) und D(5|5|15) und als Spitze S(-15|-4|18). 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 = ( 10-( - 2 ) -19-5 9-1 ) = ( 12 -24 8 ) und AD = BC = ( 17-10 -19-( - 19 ) 23-9 ) = ( 7 0 14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 -24 8 ) × ( 7 0 14 ) = ( -24 · 14 - 8 · 0 8 · 7 - 12 · 14 12 · 0 - ( -24 ) · 7 ) = ( -336 +0 56 -168 0 +168 ) = ( -336 -112 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -336 -112 168 ) | = (-336) 2 + (-112)2 + 168 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 = ( -2 5 1 ) + r ( 12 -24 8 ) + s ( 7 0 14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 7 0 14 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 14 t -7 ) für jedes t orthogonal zu ( 7 0 14 ) , denn ( 7 0 14 ) ( 14 t -7 ) =714 + 0t + 14(-7) = 98+0-98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 -24 8 ) ( 14 t -7 ) = -24⋅t +112 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 14 14 3 -7 ) = 1 3 ( 42 14 -21 ) = -7 3 ( -6 -2 3 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 -24 8 ) × ( 7 0 14 ) = ( -24 · 14 - 8 · 0 8 · 7 - 12 · 14 12 · 0 - ( -24 ) · 7 ) = ( -336 +0 56 -168 0 +168 ) = ( -336 -112 168 )

= 56⋅ ( -6 -2 3 )

Weil der Vektor ( -6 -2 3 ) orthogonal zu ( 12 -24 8 ) und ( 7 0 14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 5 1 ) ] ( -6 -2 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|5|1) erhält man
d = (-6)(-2) + (-2)5 + 31
also:

-6 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = 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 = | -6 ( - 15 )-2 ( - 4 )+3 18-5 | ( - 6 ) 2 + ( - 2 ) 2 + 3 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|3|-4), B(-8|-3|-22), C(-12|-15|-16) und als Spitze S(-19|6|5).
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 = ( -8-1 -3-3 -22-( - 4 ) ) = ( -9 -6 -18 ) und AC = ( -12-1 -15-3 -16-( - 4 ) ) = ( -13 -18 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 -6 -18 ) × ( -13 -18 -12 ) = ( -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · ( -13 ) - ( -9 ) · ( -12 ) -9 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -13 ) ) = ( 72 -324 234 -108 162 -78 ) = ( -252 126 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 126 84 ) | = (-252) 2 + 1262 + 84 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 = ( 1 3 -4 ) + r ( -9 -6 -18 ) + s ( -13 -18 -12 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -9 -6 -18 ) × ( -13 -18 -12 ) = ( -6 · ( -12 ) - ( -18 ) · ( -18 ) -18 · ( -13 ) - ( -9 ) · ( -12 ) -9 · ( -18 ) - ( -6 ) · ( -13 ) ) = ( 72 -324 234 -108 162 -78 ) = ( -252 126 84 ) = 42⋅ ( -6 3 2 )

Weil der Vektor ( -6 3 2 ) orthogonal zu ( -9 -6 -18 ) und ( -13 -18 -12 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 3 -4 ) ] ( -6 3 2 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|3|-4) erhält man
d = (-6)1 + 33 + 2(-4)
also:

-6 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -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 = | -6 ( - 19 )+3 6+2 5+5 | ( - 6 ) 2 + 3 2 + 2 2
= | 147 | 49 = 147 7 = 21

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 21.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(3|-20|-9), der Punkt C(-7|-3|-5) und die Gerade g: x = ( 3 -20 -9 ) +t ( -1 8 4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 81 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 ( -1 t 8 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -7-3 -3-( - 20 ) -5-( - 9 ) ) = ( -10 17 4 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -1 t 8 t 4 t ) × ( -10 17 4 ) = ( 8 t · 4 - 4 t · 17 4 t · ( -10 ) - ( - t ) · 4 - t · 17 - 8 t · ( -10 ) ) = ( 32 t -68 t -40 t +4 t -17 t +80 t ) = ( -36 t -36 t 63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -36 t -36 t 63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 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 81 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 81 |⋅2

| 81t | = 162

1. Fall

81t = 162 |: 81

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -1 t | -20 +8 t | -9 +4 t ) ergibt
B1(1|-4|-1).

2. Fall

- 81t = 162 |: -81

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 3 -1 t | -20 +8 t | -9 +4 t ) ergibt
B2(5|-36|-17).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 .

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 +3 x 2 +2 x 3 = 18 ein.

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

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 ⋅ 9⋅6 = 27, 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅27⋅9
=81

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +5 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 75. 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 +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 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 2 x +3 0 +5 0 = d => x = d 2 , also S1( d 2 |0|0)
S2: 2 0 +3 y +5 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 2 0 +3 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 OS1 und OS2.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S2: A = 1 2 d 2 d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 75 |⋅12
d 2 = 900 | 2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 30

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-15|0|0), S2(0|-10|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 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: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 324. 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 +4 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 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 4 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 4 = d 3 144

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 144 d 3 = 324 |⋅144
d 3 = 46656 | 3
d = 46656 3 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.