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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(13|-10|4), B(-3|2|4) und C(4|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 → = ( 13 -10 4 ) + ( 7 1 0 ) = ( 20 -9 4 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(20|-9|4).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -3-13 2-( - 10 ) 4-4 ) = ( -16 12 0 ) und AD → = BC → = ( 4-( - 3 ) 3-2 4-4 ) = ( 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(-5|-3|5), B(-9|13|37) und C(-13|-7|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 → = ( -9-( - 5 ) 13-( - 3 ) 37-5 ) = ( -4 16 32 ) und AC → = ( -13-( - 5 ) -7-( - 3 ) 6-5 ) = ( -8 -4 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 16 32 ) × ( -8 -4 1 ) = ( 16 · 1 - 32 · ( -4 ) 32 · ( -8 ) - ( -4 ) · 1 -4 · ( -4 ) - 16 · ( -8 ) ) = ( 16 +128 -256 +4 16 +128 ) = ( 144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 144 -252 144 ) | = 144 2 + (-252)2 + 144 2 = 104976 = 324 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 ⋅ 324 = 162.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(6|6|4), B(-30|-18|-4), C(-43|-12|-24) und D(-7|12|-16) und als Spitze S(-23|27|11). 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 → = ( -30-6 -18-6 -4-4 ) = ( -36 -24 -8 ) und AD → = BC → = ( -43-( - 30 ) -12-( - 18 ) -24-( - 4 ) ) = ( -13 6 -20 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 528 -616 -528 ) | = 528 2 + (-616)2 + (-528) 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 → = ( 6 6 4 ) + r ⋅ ( -36 -24 -8 ) + s ⋅ ( -13 6 -20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( -6 7 6 ) orthogonal zu ( -36 -24 -8 ) und ( -13 6 -20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 6 6 4 ) ] ∘ ( -6 7 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(6|6|4) erhält man
d = (-6)⋅6 + 7⋅6 + 6⋅4
also:

-6 x 1 +7 x 2 +6 x 3 = 30

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 ⋅ ( - 23 )+7 ⋅ 27+6 ⋅ 11-30 | ( - 6 ) 2 + 7 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 · 968 · 33 = 10648

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|-1|-4), B(5|8|8), C(5|19|6) und als Spitze S(8|6|-3).
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 → = ( 5-5 8-( - 1 ) 8-( - 4 ) ) = ( 0 9 12 ) und AC → = ( 5-5 19-( - 1 ) 6-( - 4 ) ) = ( 0 20 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 9 12 ) × ( 0 20 10 ) = ( 9 · 10 - 12 · 20 12 · 0 - 0 · 10 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( 90 -240 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 → = ( 5 -1 -4 ) + r ⋅ ( 0 9 12 ) + s ⋅ ( 0 20 10 )

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

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 20 10 ) ⋅ ( 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 20 10 ) = ( 9 · 10 - 12 · 20 12 · 0 - 0 · 10 0 · 20 - 9 · 0 ) = ( 90 -240 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 9 12 ) und ( 0 20 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 5 -1 -4 ) ] ∘ ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|-1|-4) erhält man
d = 1⋅5 + 0⋅(-1) + 0⋅(-4)
also:

x 1 = 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 = | 1 ⋅ 8+0 ⋅ 6+0 ⋅ ( - 3 )-5 | 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(4|2|1), der Punkt C(-1|2|-9) und die Gerade g: x → = ( 4 2 1 ) +t⋅ ( -4 0 -3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 25 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 ( -4 t 0 t -3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -1-4 2-2 -9-1 ) = ( -5 0 -10 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 t 0 t -3 t ) × ( -5 0 -10 ) = ( 0 · ( -10 ) - ( -3 t ) · 0 -3 t · ( -5 ) - ( -4 t ) · ( -10 ) -4 t · 0 - 0 · ( -5 ) ) = ( 0+0 15 t -40 t 0+0 ) = ( 0 -25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 0 -25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 25 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 25t | = 25 |⋅2

| 25t | = 50

1. Fall

25t = 50 |: 25

t = 2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -4 t | 2 +0 t | 1 -3 t ) ergibt
B1(-4|2|-5).

2. Fall

- 25t = 50 |: -25

t = -2

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -4 t | 2 +0 t | 1 -3 t ) ergibt
B2(12|2|7).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12 .

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 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12 ein.

S1: 1 ⋅ x +4⋅ 0 +2⋅ 0 = 12 => x=12=12, also S1(12|0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +4⋅ y +2⋅ 0 = 12 => y= 12 4 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 ⋅ 0 +4⋅ 0 +2⋅ z = 12 => z= 12 2 =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 ⋅ 12⋅3 = 18, 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 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 x 1 +2 x 2 +2 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 45. 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 (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 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 )

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 5 ⋅ d 2 = d 2 20

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 20 d 2 = 45 |⋅20
d 2 = 900 | ⋅2
d1 = - 900 = -30
d2 = 900 = 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 das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

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

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 36. 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:

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

S1: 1 ⋅ x +4⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 ⋅ 0 +4⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 1 ⋅ 0 +4⋅ 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 1 ⋅ d 4 , 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 1 ⋅ d 4 ⋅ d 2 = d 3 48

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 48 d 3 = 36 |⋅48
d 3 = 1728 | ⋅3
d = 1728 3 = 12

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-12|0|0), S2(0|-3|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.