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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-9|-7|-8), B(-1|1|-4) und C(-2|-3|-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 → = ( -9 -7 -8 ) + ( -1 -4 1 ) = ( -10 -11 -7 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-10|-11|-7).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -1-( - 9 ) 1-( - 7 ) -4-( - 8 ) ) = ( 8 8 4 ) und AD → = BC → = ( -2-( - 1 ) -3-1 -3-( - 4 ) ) = ( -1 -4 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 8 4 ) × ( -1 -4 1 ) = ( 8 · 1 - 4 · ( -4 ) 4 · ( -1 ) - 8 · 1 8 · ( -4 ) - 8 · ( -1 ) ) = ( 8 +16 -4 -8 -32 +8 ) = ( 24 -12 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 24 -12 -24 ) | = 24 2 + (-12)2 + (-24) 2 = 1296 = 36 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 36.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|5|-1), B(1|17|15) und C(1|9|-4).

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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 17-5 15-( - 1 ) ) = ( 0 12 16 ) und AC → = ( 1-1 9-5 -4-( - 1 ) ) = ( 0 4 -3 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 12 16 ) × ( 0 4 -3 ) = ( 12 · ( -3 ) - 16 · 4 16 · 0 - 0 · ( -3 ) 0 · 4 - 12 · 0 ) = ( -36 -64 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(7|4|-8), B(-29|-4|16), C(-42|-24|10) und D(-6|-16|-14) und als Spitze S(14|-25|13). 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 → = ( -29-7 -4-4 16-( - 8 ) ) = ( -36 -8 24 ) und AD → = BC → = ( -42-( - 29 ) -24-( - 4 ) 10-16 ) = ( -13 -20 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -36 -8 24 ) × ( -13 -20 -6 ) = ( -8 · ( -6 ) - 24 · ( -20 ) 24 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -6 ) -36 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -13 ) ) = ( 48 +480 -312 -216 720 -104 ) = ( 528 -528 616 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 528 -528 616 ) | = 528 2 + (-528)2 + 616 2 = 937024 = 968 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 968.

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 → = ( 7 4 -8 ) + r ⋅ ( -36 -8 24 ) + s ⋅ ( -13 -20 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -36 -8 24 ) × ( -13 -20 -6 ) = ( -8 · ( -6 ) - 24 · ( -20 ) 24 · ( -13 ) - ( -36 ) · ( -6 ) -36 · ( -20 ) - ( -8 ) · ( -13 ) ) = ( 48 +480 -312 -216 720 -104 ) = ( 528 -528 616 ) = 88⋅ ( 6 -6 7 )

Weil der Vektor ( 6 -6 7 ) orthogonal zu ( -36 -8 24 ) und ( -13 -20 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 7 4 -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(7|4|-8) erhält man
d = 6⋅7 + (-6)⋅4 + 7⋅(-8)
also:

6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = -38

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 ⋅ 14-6 ⋅ ( - 25 )+7 ⋅ 13+38 | 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-1|-8|-4), B(-13|1|-4), C(-11|12|-4) und als Spitze S(-2|-1|-1).
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 → = ( -13-( - 1 ) 1-( - 8 ) -4-( - 4 ) ) = ( -12 9 0 ) und AC → = ( -11-( - 1 ) 12-( - 8 ) -4-( - 4 ) ) = ( -10 20 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 9 0 ) × ( -10 20 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 20 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 20 - 9 · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 -240 +90 ) = ( 0 0 -150 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 0 -150 ) | = 0 2 + 02 + (-150) 2 = 22500 = 150 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 ⋅ 150 = 75.

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 -8 -4 ) + r ⋅ ( -12 9 0 ) + s ⋅ ( -10 20 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 9 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -9 -12 t ) für jedes t orthogonal zu ( -12 9 0 ) , denn ( -12 9 0 ) ∘ ( -9 -12 t ) =(-12)⋅(-9) + 9⋅(-12) + 0⋅t = 108-108+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -10 20 0 ) ⋅ ( -9 -12 t ) = 0⋅t -150 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( -12 9 0 ) × ( -10 20 0 ) = ( 9 · 0 - 0 · 20 0 · ( -10 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 20 - 9 · ( -10 ) ) = ( 0+0 0+0 -240 +90 ) = ( 0 0 -150 )

= -150⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 9 0 ) und ( -10 20 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( -1 -8 -4 ) ] ∘ ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-1|-8|-4) erhält man
d = 0⋅(-1) + 0⋅(-8) + 1⋅(-4)
also:

+ x 3 = -4

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 ⋅ ( - 2 )+0 ⋅ ( - 1 )+1 ⋅ ( - 1 )+4 | 0 2 + 0 2 + 1 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-1|4|-2), der Punkt C(3|5|-1) und die Gerade g: x → = ( -1 4 -2 ) +t⋅ ( -2 1 -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 = 13,5 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 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 3-( - 1 ) 5-4 -1-( - 2 ) ) = ( 4 1 1 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 3 t -6 t -6 t ) | = 9 t 2 +36 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 13,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 9t | = 13,5 |⋅2

| 9t | = 27

1. Fall

9t = 27 |: 9

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -2 t | 4 +1 t | -2 -2 t ) ergibt
B1(-7|7|-8).

2. Fall

- 9t = 27 |: -9

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 -2 t | 4 +1 t | -2 -2 t ) ergibt
B2(5|1|4).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 .

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 5 x 1 +5 x 2 + x 3 = 15 ein.

S1: 5 ⋅ x +5⋅ 0 +1⋅ 0 = 15 => x= 15 5 =3, also S1(3|0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +5⋅ y +1⋅ 0 = 15 => y= 15 5 =3, also S2(0|3|0)
S3: 5 ⋅ 0 +5⋅ 0 +1⋅ z = 15 => z=15=15, also S3(0|0|15)

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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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= 15 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅15
=22.5

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 3 x 1 +5 x 2 +4 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 1440. 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 +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 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 ⋅ x +5⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +5⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 ⋅ 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 ⋅ d 5 ⋅ d 4 = d 2 40

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 40 d 2 = 1440 |⋅40
d 2 = 57600 | ⋅2
d1 = - 57600 = -240
d2 = 57600 = 240

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 240

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -240 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-80|0|0), S2(0|-48|0) und S3(0|0|-60). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 240 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 +2 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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 +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 +2 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +2⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +2⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 5 ⋅ 0 +2⋅ 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 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 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 2 ⋅ d 2 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | ⋅3
d = 27000 3 = 30

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

Aber auch E2: 5 x 1 +2 x 2 +2 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|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.