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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(16|-11|1), B(0|1|1) und C(7|2|1) 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 = ( 16 -11 1 ) + ( 7 1 0 ) = ( 23 -10 1 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(23|-10|1).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 0-16 1-( - 11 ) 1-1 ) = ( -16 12 0 ) und AD = BC = ( 7-0 2-1 1-1 ) = ( 7 1 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -16 12 0 ) × ( 7 1 0 ) = ( 12 · 0 - 0 · 1 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · 1 - 12 · 7 ) = ( 0+0 0+0 -16 -84 ) = ( 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|7|3), B(5|15|11) und C(2|3|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 = ( 5-1 15-7 11-3 ) = ( 4 8 8 ) und AC = ( 2-1 3-7 2-3 ) = ( 1 -4 -1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 12 -24 ) | = 24 2 + 122 + (-24) 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-2|-1|-2), B(-8|17|-11), C(-22|17|-18) und D(-16|-1|-9) und als Spitze S(-1|-4|-25). 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 = ( -8-( - 2 ) 17-( - 1 ) -11-( - 2 ) ) = ( -6 18 -9 ) und AD = BC = ( -22-( - 8 ) 17-17 -18-( - 11 ) ) = ( -14 0 -7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 18 -9 ) × ( -14 0 -7 ) = ( 18 · ( -7 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -7 ) -6 · 0 - 18 · ( -14 ) ) = ( -126 +0 126 -42 0 +252 ) = ( -126 84 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -126 84 252 ) | = (-126) 2 + 842 + 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 = ( -2 -1 -2 ) + r ( -6 18 -9 ) + s ( -14 0 -7 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( -6 18 -9 ) ( -7 t 14 ) = 18⋅t -84 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -6 18 -9 ) × ( -14 0 -7 ) = ( 18 · ( -7 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -14 ) - ( -6 ) · ( -7 ) -6 · 0 - 18 · ( -14 ) ) = ( -126 +0 126 -42 0 +252 ) = ( -126 84 252 )

= -42⋅ ( 3 -2 -6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 -6 ) orthogonal zu ( -6 18 -9 ) und ( -14 0 -7 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -1 -2 ) ] ( 3 -2 -6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 3 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = d

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

3 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = 8

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 = | 3 ( - 1 )-2 ( - 4 )-6 ( - 25 )-8 | 3 2 + ( - 2 ) 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(4|8|3), B(8|-8|-29), C(25|-4|-39) und als Spitze S(25|-13|6).
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 = ( 8-4 -8-8 -29-3 ) = ( 4 -16 -32 ) und AC = ( 25-4 -4-8 -39-3 ) = ( 21 -12 -42 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 4 -16 -32 ) × ( 21 -12 -42 ) = ( -16 · ( -42 ) - ( -32 ) · ( -12 ) -32 · 21 - 4 · ( -42 ) 4 · ( -12 ) - ( -16 ) · 21 ) = ( 672 -384 -672 +168 -48 +336 ) = ( 288 -504 288 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 288 -504 288 ) | = 288 2 + (-504)2 + 288 2 = 419904 = 648 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 ⋅ 648 = 324.

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 = ( 4 8 3 ) + r ( 4 -16 -32 ) + s ( 21 -12 -42 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 4 -16 -32 ) × ( 21 -12 -42 ) = ( -16 · ( -42 ) - ( -32 ) · ( -12 ) -32 · 21 - 4 · ( -42 ) 4 · ( -12 ) - ( -16 ) · 21 ) = ( 672 -384 -672 +168 -48 +336 ) = ( 288 -504 288 ) = 72⋅ ( 4 -7 4 )

Weil der Vektor ( 4 -7 4 ) orthogonal zu ( 4 -16 -32 ) und ( 21 -12 -42 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 8 3 ) ] ( 4 -7 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|8|3) erhält man
d = 44 + (-7)8 + 43
also:

4 x 1 -7 x 2 +4 x 3 = -28

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 = | 4 25-7 ( - 13 )+4 6+28 | 4 2 + ( - 7 ) 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 · 324 · 27 = 2916

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(22|-6|-8), der Punkt C(2|7|-2) und die Gerade g: x = ( 22 -6 -8 ) +t ( -9 2 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 = 242 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 ( -9 t 2 t 6 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 2-22 7-( - 6 ) -2-( - 8 ) ) = ( -20 13 6 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -9 t 2 t 6 t ) × ( -20 13 6 ) = ( 2 t · 6 - 6 t · 13 6 t · ( -20 ) - ( -9 t ) · 6 -9 t · 13 - 2 t · ( -20 ) ) = ( 12 t -78 t -120 t +54 t -117 t +40 t ) = ( -66 t -66 t -77 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -66 t -66 t -77 t ) | = 4356 t 2 +4356 t 2 +5929 t 2 = 14641 t 2 = | 121t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 242 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 121t | = 242 |⋅2

| 121t | = 484

1. Fall

121t = 484 |: 121

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 22 -9 t | -6 +2 t | -8 +6 t ) ergibt
B1(-14|2|16).

2. Fall

- 121t = 484 |: -121

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 22 -9 t | -6 +2 t | -8 +6 t ) ergibt
B2(58|-14|-32).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 30 .

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 +2 x 2 +2 x 3 = 30 ein.

S1: 5 x +2 0 +2 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 0 +2 y +2 0 = 30 => y= 30 2 =15, also S2(0|15|0)
S3: 5 0 +2 0 +2 z = 30 => z= 30 2 =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 ⋅ 6⋅15 = 45, 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 ⋅45⋅15
=225

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +2 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 100. 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 +2 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 4 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +2 0 +5 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +2 y +5 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 4 0 +2 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 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 100 |⋅16
d 2 = 1600 | 2
d1 = - 1600 = -40
d2 = 1600 = 40

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-20|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +2 x 2 +5 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: 2 x 1 +2 x 2 +3 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:

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

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

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 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 2 d 2 d 3 = 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: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 6

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

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