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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(28|-22|-1), B(-8|2|7) und C(-1|-10|14) 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 = ( 28 -22 -1 ) + ( 7 -12 7 ) = ( 35 -34 6 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(35|-34|6).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( -8-28 2-( - 22 ) 7-( - 1 ) ) = ( -36 24 8 ) und AD = BC = ( -1-( - 8 ) -10-2 14-7 ) = ( 7 -12 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -36 24 8 ) × ( 7 -12 7 ) = ( 24 · 7 - 8 · ( -12 ) 8 · 7 - ( -36 ) · 7 -36 · ( -12 ) - 24 · 7 ) = ( 168 +96 56 +252 432 -168 ) = ( 264 308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 264 308 264 ) | = 264 2 + 3082 + 264 2 = 234256 = 484 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 484.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(-23|9|21), B(13|1|-3) und C(6|-6|9).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 13-( - 23 ) 1-9 -3-21 ) = ( 36 -8 -24 ) und AC = ( 6-( - 23 ) -6-9 9-21 ) = ( 29 -15 -12 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -8 -24 ) × ( 29 -15 -12 ) = ( -8 · ( -12 ) - ( -24 ) · ( -15 ) -24 · 29 - 36 · ( -12 ) 36 · ( -15 ) - ( -8 ) · 29 ) = ( 96 -360 -696 +432 -540 +232 ) = ( -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|1|5), B(-11|1|14), C(-5|1|22) und D(7|1|13) und als Spitze S(4|4|9). 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 = ( -11-1 1-1 14-5 ) = ( -12 0 9 ) und AD = BC = ( -5-( - 11 ) 1-1 22-14 ) = ( 6 0 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -12 0 9 ) × ( 6 0 8 ) = ( 0 · 8 - 9 · 0 9 · 6 - ( -12 ) · 8 -12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 150 0 ) | = 0 2 + 1502 + 0 2 = 22500 = 150 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 150.

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 1 5 ) + r ( -12 0 9 ) + s ( 6 0 8 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 0 9 ) in der x2-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( 9 t 12 ) für jedes t orthogonal zu ( -12 0 9 ) , denn ( -12 0 9 ) ( 9 t 12 ) =(-12)9 + 0t + 912 = -108+0+108=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 6 0 8 ) ( 9 t 12 ) = 0⋅t +150 = 0 wird, also t= - 1 0 = - 1 0 .

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

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( -12 0 9 ) × ( 6 0 8 ) = ( 0 · 8 - 9 · 0 9 · 6 - ( -12 ) · 8 -12 · 0 - 0 · 6 ) = ( 0+0 54 +96 0+0 ) = ( 0 150 0 )

= 150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -12 0 9 ) und ( 6 0 8 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 1 1 5 ) ] ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(1|1|5) erhält man
d = 01 + 11 + 05
also:

+ x 2 = 1

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 4+1 4+0 9-1 | 0 2 + 1 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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-12|1|-2), B(24|-23|6), C(37|-17|26) und als Spitze S(17|22|-9).
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 = ( 24-( - 12 ) -23-1 6-( - 2 ) ) = ( 36 -24 8 ) und AC = ( 37-( - 12 ) -17-1 26-( - 2 ) ) = ( 49 -18 28 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -24 8 ) × ( 49 -18 28 ) = ( -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · 49 - 36 · 28 36 · ( -18 ) - ( -24 ) · 49 ) = ( -672 +144 392 -1008 -648 +1176 ) = ( -528 -616 528 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -528 -616 528 ) | = (-528) 2 + (-616)2 + 528 2 = 937024 = 968 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 ⋅ 968 = 484.

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 = ( -12 1 -2 ) + r ( 36 -24 8 ) + s ( 49 -18 28 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 36 -24 8 ) × ( 49 -18 28 ) = ( -24 · 28 - 8 · ( -18 ) 8 · 49 - 36 · 28 36 · ( -18 ) - ( -24 ) · 49 ) = ( -672 +144 392 -1008 -648 +1176 ) = ( -528 -616 528 ) = -88⋅ ( 6 7 -6 )

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( 36 -24 8 ) und ( 49 -18 28 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -12 1 -2 ) ] ( 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(-12|1|-2) erhält man
d = 6(-12) + 71 + (-6)(-2)
also:

6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = -53

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 17+7 22-6 ( - 9 )+53 | 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 · 484 · 33 = 5324

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-3|6|-6), der Punkt C(6|-3|-6) und die Gerade g: x = ( -3 6 -6 ) +t ( 8 -1 4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 121,5 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 ( 8 t -1 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( 6-( - 3 ) -3-6 -6-( - 6 ) ) = ( 9 -9 0 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 t -1 t 4 t ) × ( 9 -9 0 ) = ( - t · 0 - 4 t · ( -9 ) 4 t · 9 - 8 t · 0 8 t · ( -9 ) - ( - t ) · 9 ) = ( 0 +36 t 36 t +0 -72 t +9 t ) = ( 36 t 36 t -63 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 36 t 36 t -63 t ) | = 1296 t 2 +1296 t 2 +3969 t 2 = 6561 t 2 = | 81t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 121,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 81t | = 121,5 |⋅2

| 81t | = 243

1. Fall

81t = 243 |: 81

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +8 t | 6 -1 t | -6 +4 t ) ergibt
B1(21|3|6).

2. Fall

- 81t = 243 |: -81

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -3 +8 t | 6 -1 t | -6 +4 t ) ergibt
B2(-27|9|-18).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 1 x +3 0 +3 0 = 6 => x=6=6, also S1(6|0|0)
S2: 1 0 +3 y +3 0 = 6 => y= 6 3 =2, also S2(0|2|0)
S3: 1 0 +3 0 +3 z = 6 => z= 6 3 =2, also S3(0|0|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 ⋅ 6⋅2 = 6, 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= 2 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅6⋅2
=4

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 x2-Achse und der x3-Achse bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Dreieck P mit dem Flächeninhalt 112.5. 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 OS2 und OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS2S3: A = 1 2 d 2 d 2 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 112,5 |⋅8
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: 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 0.5. 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 + 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 3 x 1 + x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +1 0 +3 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +1 y +3 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 3 0 +1 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 3 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 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 1 2 d 3 d 1 d 3 = d 3 54

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 54 d 3 = 0,5 |⋅54
d 3 = 27 | 3
d = 27 3 = 3

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

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

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