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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(12|3|9), B(-4|3|-3) und C(3|3|-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 = ( 12 3 9 ) + ( 7 0 -1 ) = ( 19 3 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(19|3|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -4-12 3-3 -3-9 ) = ( -16 0 -12 ) und AD = BC = ( 3-( - 4 ) 3-3 -4-( - 3 ) ) = ( 7 0 -1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 0 -12 ) × ( 7 0 -1 ) = ( 0 · ( -1 ) - ( -12 ) · 0 -12 · 7 - ( -16 ) · ( -1 ) -16 · 0 - 0 · 7 ) = ( 0+0 -84 -16 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 0 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(-2|0|2), B(6|36|-22) und C(7|2|8).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 6-( - 2 ) 36-0 -22-2 ) = ( 8 36 -24 ) und AC = ( 7-( - 2 ) 2-0 8-2 ) = ( 9 2 6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 36 -24 ) × ( 9 2 6 ) = ( 36 · 6 - ( -24 ) · 2 -24 · 9 - 8 · 6 8 · 2 - 36 · 9 ) = ( 216 +48 -216 -48 16 -324 ) = ( 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(0|4|-10), B(-12|7|14), C(-8|24|24) und D(4|21|0) und als Spitze S(-21|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 = ( -12-0 7-4 14-( - 10 ) ) = ( -12 3 24 ) und AD = BC = ( -8-( - 12 ) 24-7 24-14 ) = ( 4 17 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 3 24 ) × ( 4 17 10 ) = ( 3 · 10 - 24 · 17 24 · 4 - ( -12 ) · 10 -12 · 17 - 3 · 4 ) = ( 30 -408 96 +120 -204 -12 ) = ( -378 216 -216 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -378 216 -216 ) | = (-378) 2 + 2162 + (-216) 2 = 236196 = 486 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 486.

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 = ( 0 4 -10 ) + r ( -12 3 24 ) + s ( 4 17 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -12 3 24 ) × ( 4 17 10 ) = ( 3 · 10 - 24 · 17 24 · 4 - ( -12 ) · 10 -12 · 17 - 3 · 4 ) = ( 30 -408 96 +120 -204 -12 ) = ( -378 216 -216 ) = 54⋅ ( -7 4 -4 )

Weil der Vektor ( -7 4 -4 ) orthogonal zu ( -12 3 24 ) und ( 4 17 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 0 4 -10 ) ] ( -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(0|4|-10) erhält man
d = (-7)0 + 44 + (-4)(-10)
also:

-7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = 56

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 ( - 21 )+4 25-4 ( - 13 )-56 | ( - 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 · 486 · 27 = 4374

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|-5|-3), B(2|-14|-15), C(2|-22|-9) und als Spitze S(5|-9|0).
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 = ( 2-2 -14-( - 5 ) -15-( - 3 ) ) = ( 0 -9 -12 ) und AC = ( 2-2 -22-( - 5 ) -9-( - 3 ) ) = ( 0 -17 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 -9 -12 ) × ( 0 -17 -6 ) = ( -9 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -17 ) -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( 54 -204 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 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 = ( 2 -5 -3 ) + r ( 0 -9 -12 ) + s ( 0 -17 -6 )

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 + (-9)12 + (-12)(-9) = 0-108+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 -17 -6 ) ( 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 -17 -6 ) = ( -9 · ( -6 ) - ( -12 ) · ( -17 ) -12 · 0 - 0 · ( -6 ) 0 · ( -17 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( 54 -204 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -9 -12 ) und ( 0 -17 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 -5 -3 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|-5|-3) erhält man
d = 12 + 0(-5) + 0(-3)
also:

x 1 = 2

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 5+0 ( - 9 )+0 0-2 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-7|1|3), der Punkt C(1|6|0) und die Gerade g: x = ( -7 1 3 ) +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 = ( 1-( - 7 ) 6-1 0-3 ) = ( 8 5 -3 ) .

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 ) × ( 8 5 -3 ) = ( 3 t · ( -3 ) - ( -6 t ) · 5 -6 t · 8 - 2 t · ( -3 ) 2 t · 5 - 3 t · 8 ) = ( -9 t +30 t -48 t +6 t 10 t -24 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 ( -7 +2 t | 1 +3 t | 3 -6 t ) ergibt
B1(-1|10|-15).

2. Fall

- 49t = 147 |: -49

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -7 +2 t | 1 +3 t | 3 -6 t ) ergibt
B2(-13|-8|21).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 2 x +1 0 +1 0 = 6 => x= 6 2 =3, also S1(3|0|0)
S2: 2 0 +1 y +1 0 = 6 => y=6=6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +1 0 +1 z = 6 => z=6=6, also S3(0|0|6)

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

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅9⋅6
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 + x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Schnittpunkte von E mit der x1-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 6. 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:

4 x 1 + 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 4 x 1 + x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +1 0 +3 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +1 y +3 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 0 +1 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 4 d 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 6 |⋅24
d 2 = 144 | 2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 +3 x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 +3 x 3 = -12 ist eine Lösung.

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 72. 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:

4 x 1 + x 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 4 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +1 0 +1 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +1 y +1 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 0 +1 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 4 d 1 , 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 4 d 1 d 1 = d 3 24

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 3 = 72 |⋅24
d 3 = 1728 | 3
d = 1728 3 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 12

Aber auch E2: 4 x 1 + x 2 + x 3 = -12 ist eine Lösung.

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