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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(11|-11|-1), B(-21|5|-5) und C(-6|-7|-11) 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 → = ( 11 -11 -1 ) + ( 15 -12 -6 ) = ( 26 -23 -7 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(26|-23|-7).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -21-11 5-( - 11 ) -5-( - 1 ) ) = ( -32 16 -4 ) und AD → = BC → = ( -6-( - 21 ) -7-5 -11-( - 5 ) ) = ( 15 -12 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -32 16 -4 ) × ( 15 -12 -6 ) = ( 16 · ( -6 ) - ( -4 ) · ( -12 ) -4 · 15 - ( -32 ) · ( -6 ) -32 · ( -12 ) - 16 · 15 ) = ( -96 -48 -60 -192 384 -240 ) = ( -144 -252 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -144 -252 144 ) | = (-144) 2 + (-252)2 + 144 2 = 104976 = 324 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 324.

Flächeninhalt eines Dreiecks

Beispiel:

Berechne den Flächeninhalt des Dreiecks ABC mit A(1|-13|-13), B(5|19|3) und C(11|4|-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 → = ( 5-1 19-( - 13 ) 3-( - 13 ) ) = ( 4 32 16 ) und AC → = ( 11-1 4-( - 13 ) -9-( - 13 ) ) = ( 10 17 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 4 32 16 ) × ( 10 17 4 ) = ( 32 · 4 - 16 · 17 16 · 10 - 4 · 4 4 · 17 - 32 · 10 ) = ( 128 -272 160 -16 68 -320 ) = ( -144 144 -252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -144 144 -252 ) | = (-144) 2 + 1442 + (-252) 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(2|4|3), B(2|-5|-9), C(2|-16|-7) und D(2|-7|5) und als Spitze S(5|-3|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 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 → = ( 2-2 -5-4 -9-3 ) = ( 0 -9 -12 ) und AD → = BC → = ( 2-2 -16-( - 5 ) -7-( - 9 ) ) = ( 0 -11 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -9 -12 ) × ( 0 -11 2 ) = ( -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -18 -132 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 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 → = ( 2 4 3 ) + r ⋅ ( 0 -9 -12 ) + s ⋅ ( 0 -11 2 )

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 -11 2 ) ⋅ ( 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 -11 2 ) = ( -9 · 2 - ( -12 ) · ( -11 ) -12 · 0 - 0 · 2 0 · ( -11 ) - ( -9 ) · 0 ) = ( -18 -132 0+0 0+0 ) = ( -150 0 0 )

= -150⋅ ( 1 0 0 )

Weil der Vektor ( 1 0 0 ) orthogonal zu ( 0 -9 -12 ) und ( 0 -11 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 2 4 3 ) ] ∘ ( 1 0 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also x 1 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|4|3) erhält man
d = 1⋅2 + 0⋅4 + 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 ⋅ ( - 3 )+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 · 150 · 3 = 150

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(4|0|-1), B(0|12|5), C(-12|6|9) und als Spitze S(7|-9|19).
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 → = ( 0-4 12-0 5-( - 1 ) ) = ( -4 12 6 ) und AC → = ( -12-4 6-0 9-( - 1 ) ) = ( -16 6 10 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 12 6 ) × ( -16 6 10 ) = ( 12 · 10 - 6 · 6 6 · ( -16 ) - ( -4 ) · 10 -4 · 6 - 12 · ( -16 ) ) = ( 120 -36 -96 +40 -24 +192 ) = ( 84 -56 168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 84 -56 168 ) | = 84 2 + (-56)2 + 168 2 = 38416 = 196 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 ⋅ 196 = 98.

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 0 -1 ) + r ⋅ ( -4 12 6 ) + s ⋅ ( -16 6 10 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -4 12 6 ) × ( -16 6 10 ) = ( 12 · 10 - 6 · 6 6 · ( -16 ) - ( -4 ) · 10 -4 · 6 - 12 · ( -16 ) ) = ( 120 -36 -96 +40 -24 +192 ) = ( 84 -56 168 ) = 28⋅ ( 3 -2 6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 6 ) orthogonal zu ( -4 12 6 ) und ( -16 6 10 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 4 0 -1 ) ] ∘ ( 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(4|0|-1) erhält man
d = 3⋅4 + (-2)⋅0 + 6⋅(-1)
also:

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

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 ⋅ 7-2 ⋅ ( - 9 )+6 ⋅ 19-6 | 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 · 98 · 21 = 686

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-2|-4|-5), der Punkt C(10|3|-12) und die Gerade g: x → = ( -2 -4 -5 ) +t⋅ ( -6 -9 -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 = 302,5 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 ( -6 t -9 t -2 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( 10-( - 2 ) 3-( - 4 ) -12-( - 5 ) ) = ( 12 7 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -6 t -9 t -2 t ) × ( 12 7 -7 ) = ( -9 t · ( -7 ) - ( -2 t ) · 7 -2 t · 12 - ( -6 t ) · ( -7 ) -6 t · 7 - ( -9 t ) · 12 ) = ( 63 t +14 t -24 t -42 t -42 t +108 t ) = ( 77 t -66 t 66 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( 77 t -66 t 66 t ) | = 5929 t 2 +4356 t 2 +4356 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 302,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 121t | = 302,5 |⋅2

| 121t | = 605

1. Fall

121t = 605 |: 121

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -6 t | -4 -9 t | -5 -2 t ) ergibt
B1(-32|-49|-15).

2. Fall

- 121t = 605 |: -121

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -2 -6 t | -4 -9 t | -5 -2 t ) ergibt
B2(28|41|5).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 45 .

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 +5 x 3 = 45 ein.

S1: 2 ⋅ x +3⋅ 0 +5⋅ 0 = 45 => x= 990 2 =495, also S1(22|0|0)
S2: 2 ⋅ 0 +3⋅ y +5⋅ 0 = 45 => y= 990 3 =330, also S2(0|15|0)
S3: 2 ⋅ 0 +3⋅ 0 +5⋅ z = 45 => z= 990 5 =198, also S3(0|0|9)

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 ⋅ 22⋅15 = 165, 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= 9 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅165⋅9
=495

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 4 x 1 +3 x 2 +4 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 54. 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 +3 x 2 +4 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 +3 x 2 +4 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 3 = d 2 24

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 24 d 2 = 54 |⋅24
d 2 = 1296 | ⋅2
d1 = - 1296 = -36
d2 = 1296 = 36

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -36 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-9|0|0), S2(0|-12|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 36 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 +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 54. 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 +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 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 3 ⋅ x +2⋅ 0 +3⋅ 0 = d => x = d 3 , also S1( d 3 |0|0)
S2: 3 ⋅ 0 +2⋅ y +3⋅ 0 = d => y = d 2 , also S2(0| d 2 |0)
S3: 3 ⋅ 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 3 ⋅ 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 3 ⋅ d 2 ⋅ d 3 = d 3 108

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 54 |⋅108
d 3 = 5832 | ⋅3
d = 5832 3 = 18

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18

Aber auch E2: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -18 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-9|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.