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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-2|0|2), B(6|-4|10) und C(-2|-3|5) 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 0 2 ) + ( -8 1 -5 ) = ( -10 1 -3 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-10|1|-3).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 6-( - 2 ) -4-0 10-2 ) = ( 8 -4 8 ) und AD = BC = ( -2-6 -3-( - 4 ) 5-10 ) = ( -8 1 -5 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 -4 8 ) × ( -8 1 -5 ) = ( -4 · ( -5 ) - 8 · 1 8 · ( -8 ) - 8 · ( -5 ) 8 · 1 - ( -4 ) · ( -8 ) ) = ( 20 -8 -64 +40 8 -32 ) = ( 12 -24 -24 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 -24 -24 ) | = 12 2 + (-24)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|1|-4), B(37|9|-28) und C(3|10|2).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 37-1 9-1 -28-( - 4 ) ) = ( 36 8 -24 ) und AC = ( 3-1 10-1 2-( - 4 ) ) = ( 2 9 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 8 -24 ) × ( 2 9 6 ) = ( 8 · 6 - ( -24 ) · 9 -24 · 2 - 36 · 6 36 · 9 - 8 · 2 ) = ( 48 +216 -48 -216 324 -16 ) = ( 264 -264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 -264 308 ) | = 264 2 + (-264)2 + 308 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(1|3|1), B(19|9|10), C(13|21|14) und D(-5|15|5) und als Spitze S(4|18|-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 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 = ( 19-1 9-3 10-1 ) = ( 18 6 9 ) und AD = BC = ( 13-19 21-9 14-10 ) = ( -6 12 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 18 6 9 ) × ( -6 12 4 ) = ( 6 · 4 - 9 · 12 9 · ( -6 ) - 18 · 4 18 · 12 - 6 · ( -6 ) ) = ( 24 -108 -54 -72 216 +36 ) = ( -84 -126 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -84 -126 252 ) | = (-84) 2 + (-126)2 + 252 2 = 86436 = 294 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 294.

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

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 18 6 9 ) × ( -6 12 4 ) = ( 6 · 4 - 9 · 12 9 · ( -6 ) - 18 · 4 18 · 12 - 6 · ( -6 ) ) = ( 24 -108 -54 -72 216 +36 ) = ( -84 -126 252 ) = -42⋅ ( 2 3 -6 )

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

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|3|1) erhält man
d = 21 + 33 + (-6)1
also:

2 x 1 +3 x 2 -6 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 = | 2 4+3 18-6 ( - 15 )-5 | 2 2 + 3 2 + ( - 6 ) 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 · 294 · 21 = 2058

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(1|-4|0), B(13|14|-4), C(1|18|-22) und als Spitze S(16|-20|-27).
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 14-( - 4 ) -4-0 ) = ( 12 18 -4 ) und AC = ( 1-1 18-( - 4 ) -22-0 ) = ( 0 22 -22 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 12 18 -4 ) × ( 0 22 -22 ) = ( 18 · ( -22 ) - ( -4 ) · 22 -4 · 0 - 12 · ( -22 ) 12 · 22 - 18 · 0 ) = ( -396 +88 0 +264 264 +0 ) = ( -308 264 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -308 264 264 ) | = (-308) 2 + 2642 + 264 2 = 234256 = 484 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 ⋅ 484 = 242.

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 -4 0 ) + r ( 12 18 -4 ) + s ( 0 22 -22 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 22 -22 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 22 22 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 22 -22 ) , denn ( 0 22 -22 ) ( t 22 22 ) =0t + 2222 + (-22)22 = 0+484-484=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 12 18 -4 ) ( t 22 22 ) = 12⋅t +308 = 0 wird, also t= - 77 3 = - 77 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( - 77 3 22 22 ) = 1 3 ( -77 66 66 ) = -11 3 ( 7 -6 -6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 12 18 -4 ) × ( 0 22 -22 ) = ( 18 · ( -22 ) - ( -4 ) · 22 -4 · 0 - 12 · ( -22 ) 12 · 22 - 18 · 0 ) = ( -396 +88 0 +264 264 +0 ) = ( -308 264 264 )

= -44⋅ ( 7 -6 -6 )

Weil der Vektor ( 7 -6 -6 ) orthogonal zu ( 12 18 -4 ) und ( 0 22 -22 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 -4 0 ) ] ( 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(1|-4|0) erhält man
d = 71 + (-6)(-4) + (-6)0
also:

7 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 31

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 16-6 ( - 20 )-6 ( - 27 )-31 | 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 · 242 · 33 = 2662

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-8|11|-7), der Punkt C(2|3|2) und die Gerade g: x = ( -8 11 -7 ) +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 = 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 ( 2 t -3 t 6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 2-( - 8 ) 3-11 2-( - 7 ) ) = ( 10 -8 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 ) × ( 10 -8 9 ) = ( -3 t · 9 - 6 t · ( -8 ) 6 t · 10 - 2 t · 9 2 t · ( -8 ) - ( -3 t ) · 10 ) = ( -27 t +48 t 60 t -18 t -16 t +30 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 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 ( -8 +2 t | 11 -3 t | -7 +6 t ) ergibt
B1(-2|2|11).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -8 +2 t | 11 -3 t | -7 +6 t ) ergibt
B2(-14|20|-25).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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 ⋅ 15⋅12 = 90, 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= 30 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅90⋅30
=900

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 80. 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 = 80 |⋅20
d 2 = 1600 | 2
d1 = - 1600 = -40
d2 = 1600 = 40

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 40

Aber auch E2: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -40 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 40 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

S1: 3 x +2 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +2 y +2 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 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 3 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 3 d 2 d 2 = d 3 72

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 72 d 3 = 3 |⋅72
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

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

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

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