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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|-2|1), B(41|-26|9) und C(7|4|10) 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 = ( 5 -2 1 ) + ( -34 30 1 ) = ( -29 28 2 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-29|28|2).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 41-5 -26-( - 2 ) 9-1 ) = ( 36 -24 8 ) und AD = BC = ( 7-41 4-( - 26 ) 10-9 ) = ( -34 30 1 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 36 -24 8 ) × ( -34 30 1 ) = ( -24 · 1 - 8 · 30 8 · ( -34 ) - 36 · 1 36 · 30 - ( -24 ) · ( -34 ) ) = ( -24 -240 -272 -36 1080 -816 ) = ( -264 -308 264 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -308 264 ) | = (-264) 2 + (-308)2 + 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(0|-6|2), B(-8|-10|10) und C(4|-7|1).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -8-0 -10-( - 6 ) 10-2 ) = ( -8 -4 8 ) und AC = ( 4-0 -7-( - 6 ) 1-2 ) = ( 4 -1 -1 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 12 24 24 ) | = 12 2 + 242 + 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(4|-6|-4), B(-23|0|14), C(-36|20|8) und D(-9|14|-10) und als Spitze S(11|23|17). 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 = ( -23-4 0-( - 6 ) 14-( - 4 ) ) = ( -27 6 18 ) und AD = BC = ( -36-( - 23 ) 20-0 8-14 ) = ( -13 20 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -27 6 18 ) × ( -13 20 -6 ) = ( 6 · ( -6 ) - 18 · 20 18 · ( -13 ) - ( -27 ) · ( -6 ) -27 · 20 - 6 · ( -13 ) ) = ( -36 -360 -234 -162 -540 +78 ) = ( -396 -396 -462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 -396 -462 ) | = (-396) 2 + (-396)2 + (-462) 2 = 527076 = 726 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 726.

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 = ( 4 -6 -4 ) + r ( -27 6 18 ) + s ( -13 20 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -27 6 18 ) × ( -13 20 -6 ) = ( 6 · ( -6 ) - 18 · 20 18 · ( -13 ) - ( -27 ) · ( -6 ) -27 · 20 - 6 · ( -13 ) ) = ( -36 -360 -234 -162 -540 +78 ) = ( -396 -396 -462 ) = -66⋅ ( 6 6 7 )

Weil der Vektor ( 6 6 7 ) orthogonal zu ( -27 6 18 ) und ( -13 20 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 4 -6 -4 ) ] ( 6 6 7 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(4|-6|-4) erhält man
d = 64 + 6(-6) + 7(-4)
also:

6 x 1 +6 x 2 +7 x 3 = -40

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 11+6 23+7 17+40 | 6 2 + 6 2 + 7 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|-5|1), B(-2|7|17), C(-2|18|15) und als Spitze S(1|2|2).
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 ) 7-( - 5 ) 17-1 ) = ( 0 12 16 ) und AC = ( -2-( - 2 ) 18-( - 5 ) 15-1 ) = ( 0 23 14 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 12 16 ) × ( 0 23 14 ) = ( 12 · 14 - 16 · 23 16 · 0 - 0 · 14 0 · 23 - 12 · 0 ) = ( 168 -368 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -200 0 0 ) | = (-200) 2 + 02 + 0 2 = 40000 = 200 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 ⋅ 200 = 100.

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 1 ) + r ( 0 12 16 ) + s ( 0 23 14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 12 16 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -16 12 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 12 16 ) , denn ( 0 12 16 ) ( t -16 12 ) =0t + 12(-16) + 1612 = 0-192+192=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 0 23 14 ) ( t -16 12 ) = 0⋅t -200 = 0 wird, also t= 1 0 = 1 0 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 1 0 -16 12 ) = 1 0 ( 0 0 0 0 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 0 12 16 ) × ( 0 23 14 ) = ( 12 · 14 - 16 · 23 16 · 0 - 0 · 14 0 · 23 - 12 · 0 ) = ( 168 -368 0+0 0+0 ) = ( -200 0 0 )

= -200⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 12 16 ) und ( 0 23 14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 -5 1 ) ] ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-2|-5|1) erhält man
d = 1(-2) + 0(-5) + 01
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 1+0 2+0 2+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 · 100 · 3 = 100

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-10|-8|0), der Punkt C(-1|0|-10) und die Gerade g: x = ( -10 -8 0 ) +t ( 6 3 -2 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 98 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 ( 6 t 3 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 10 ) 0-( - 8 ) -10-0 ) = ( 9 8 -10 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 6 t 3 t -2 t ) × ( 9 8 -10 ) = ( 3 t · ( -10 ) - ( -2 t ) · 8 -2 t · 9 - 6 t · ( -10 ) 6 t · 8 - 3 t · 9 ) = ( -30 t +16 t -18 t +60 t 48 t -27 t ) = ( -14 t 42 t 21 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( -14 t 42 t 21 t ) | = 196 t 2 +1764 t 2 +441 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 98 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 49t | = 98 |⋅2

| 49t | = 196

1. Fall

49t = 196 |: 49

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -10 +6 t | -8 +3 t | 0 -2 t ) ergibt
B1(14|4|-8).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -10 +6 t | -8 +3 t | 0 -2 t ) ergibt
B2(-34|-20|8).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 18 .

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 +3 x 2 +3 x 3 = 18 ein.

S1: 2 x +3 0 +3 0 = 18 => x= 18 2 =9, also S1(9|0|0)
S2: 2 0 +3 y +3 0 = 18 => y= 18 3 =6, also S2(0|6|0)
S3: 2 0 +3 0 +3 z = 18 => z= 18 3 =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 ⋅ 9⋅6 = 27, 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 ⋅27⋅6
=54

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +4 x 2 +2 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 16. 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 +4 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 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 4 x +4 0 +2 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 0 +4 y +2 0 = d => y = d 4 , also S2(0| d 4 |0)
S3: 4 0 +4 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 OS3.

Somit gilt für den Flächeninhalt des Dreiecks OS1S3: A = 1 2 d 4 d 2 = d 2 16

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 16 d 2 = 16 |⋅16
d 2 = 256 | 2
d1 = - 256 = -16
d2 = 256 = 16

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 16

Aber auch E2: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -16 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-4|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-8). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 16 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 +5 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 1200. 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 +5 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 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 x +5 0 +2 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 0 +5 y +2 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 3 0 +5 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 5 , 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 5 d 2 = d 3 180

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 180 d 3 = 1200 |⋅180
d 3 = 216000 | 3
d = 216000 3 = 60

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60

Aber auch E2: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -60 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-20|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-30). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 60 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.