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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-3|-4|0), B(-3|-20|-12) und C(-3|-1|-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 → = ( -3 -4 0 ) + ( 0 19 8 ) = ( -3 15 8 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-3|15|8).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -3-( - 3 ) -20-( - 4 ) -12-0 ) = ( 0 -16 -12 ) und AD → = BC → = ( -3-( - 3 ) -1-( - 20 ) -4-( - 12 ) ) = ( 0 19 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 0 -16 -12 ) × ( 0 19 8 ) = ( -16 · 8 - ( -12 ) · 19 -12 · 0 - 0 · 8 0 · 19 - ( -16 ) · 0 ) = ( -128 +228 0+0 0+0 ) = ( 100 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 100 0 0 ) | = 100 2 + 02 + 0 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|1|-9), B(-13|-7|-33) und C(0|-3|0).

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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-( - 1 ) -7-1 -33-( - 9 ) ) = ( -12 -8 -24 ) und AC → = ( 0-( - 1 ) -3-1 0-( - 9 ) ) = ( 1 -4 9 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 -8 -24 ) × ( 1 -4 9 ) = ( -8 · 9 - ( -24 ) · ( -4 ) -24 · 1 - ( -12 ) · 9 -12 · ( -4 ) - ( -8 ) · 1 ) = ( -72 -96 -24 +108 48 +8 ) = ( -168 84 56 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -168 84 56 ) | = (-168) 2 + 842 + 56 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.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(-3|3|-2), B(-7|-9|4), C(-19|-3|8) und D(-15|9|2) und als Spitze S(0|12|18). 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 → = ( -7-( - 3 ) -9-3 4-( - 2 ) ) = ( -4 -12 6 ) und AD → = BC → = ( -19-( - 7 ) -3-( - 9 ) 8-4 ) = ( -12 6 4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -4 -12 6 ) × ( -12 6 4 ) = ( -12 · 4 - 6 · 6 6 · ( -12 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 6 - ( -12 ) · ( -12 ) ) = ( -48 -36 -72 +16 -24 -144 ) = ( -84 -56 -168 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -84 -56 -168 ) | = (-84) 2 + (-56)2 + (-168) 2 = 38416 = 196 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a → x b → | = 196.

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 → = ( -3 3 -2 ) + r ⋅ ( -4 -12 6 ) + s ⋅ ( -12 6 4 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -4 -12 6 ) × ( -12 6 4 ) = ( -12 · 4 - 6 · 6 6 · ( -12 ) - ( -4 ) · 4 -4 · 6 - ( -12 ) · ( -12 ) ) = ( -48 -36 -72 +16 -24 -144 ) = ( -84 -56 -168 ) = -28⋅ ( 3 2 6 )

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

3 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = -15

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 ⋅ 0+2 ⋅ 12+6 ⋅ 18+15 | 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 · 196 · 21 = 1372

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

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

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -12 0 -9 ) × ( -10 0 -20 ) = ( 0 · ( -20 ) - ( -9 ) · 0 -9 · ( -10 ) - ( -12 ) · ( -20 ) -12 · 0 - 0 · ( -10 ) ) = ( 0+0 90 -240 0+0 ) = ( 0 -150 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 -150 0 ) | = 0 2 + (-150)2 + 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 → = ( 6 -4 1 ) + r ⋅ ( -12 0 -9 ) + s ⋅ ( -10 0 -20 )

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) + 0⋅t + (-9)⋅12 = 108+0-108=0.

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

= -150⋅ ( 0 1 0 )

Weil der Vektor ( 0 1 0 ) orthogonal zu ( -12 0 -9 ) und ( -10 0 -20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 6 -4 1 ) ] ∘ ( 0 1 0 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 2 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(6|-4|1) erhält man
d = 0⋅6 + 1⋅(-4) + 0⋅1
also:

+ x 2 = -4

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 ⋅ 5+1 ⋅ ( - 1 )+0 ⋅ ( - 6 )+4 | 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 · 75 · 3 = 75

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-6|9|-7), der Punkt C(-13|1|0) und die Gerade g: x → = ( -6 9 -7 ) +t⋅ ( -1 4 -8 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 202,5 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 ( -1 t 4 t -8 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC → = ( -13-( - 6 ) 1-9 0-( - 7 ) ) = ( -7 -8 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -1 t 4 t -8 t ) × ( -7 -8 7 ) = ( 4 t · 7 - ( -8 t ) · ( -8 ) -8 t · ( -7 ) - ( - t ) · 7 - t · ( -8 ) - 4 t · ( -7 ) ) = ( 28 t -64 t 56 t +7 t 8 t +28 t ) = ( -36 t 63 t 36 t ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB → x AC → | = | ( -36 t 63 t 36 t ) | = 1296 t 2 +3969 t 2 +1296 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 202,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB → x AC → | = 1 2 | 81t | = 202,5 |⋅2

| 81t | = 405

1. Fall

81t = 405 |: 81

t = 5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 -1 t | 9 +4 t | -7 -8 t ) ergibt
B1(-11|29|-47).

2. Fall

- 81t = 405 |: -81

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -6 -1 t | 9 +4 t | -7 -8 t ) ergibt
B2(-1|-11|33).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 5 ⋅ x +3⋅ 0 +2⋅ 0 = 30 => x= 30 5 =6, also S1(6|0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +3⋅ y +2⋅ 0 = 30 => y= 30 3 =10, also S2(0|10|0)
S3: 5 ⋅ 0 +3⋅ 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⋅10 = 30, 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 ⋅30⋅15
=150

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

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

S1: 4 ⋅ x +1⋅ 0 +4⋅ 0 = d => x = d 4 , also S1( d 4 |0|0)
S2: 4 ⋅ 0 +1⋅ y +4⋅ 0 = d => y = d 1 , also S2(0| d 1 |0)
S3: 4 ⋅ 0 +1⋅ 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 1 = d 2 8

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 8 d 2 = 2 |⋅8
d 2 = 16 | ⋅2
d1 = - 16 = -4
d2 = 16 = 4

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

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

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

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 5 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 90. 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 +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 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 5 ⋅ x +5⋅ 0 +2⋅ 0 = d => x = d 5 , also S1( d 5 |0|0)
S2: 5 ⋅ 0 +5⋅ y +2⋅ 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 5 ⋅ 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 5 ⋅ 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 5 ⋅ d 5 ⋅ d 2 = d 3 300

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 300 d 3 = 90 |⋅300
d 3 = 27000 | ⋅3
d = 27000 3 = 30

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30

Aber auch E2: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -30 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-15). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 5 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 30 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und hätte somit das gleiche Volumen.