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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(5|-2|4), B(41|-10|-20) und C(7|-11|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 4 ) + ( -34 -1 30 ) = ( -29 -3 34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-29|-3|34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 41-5 -10-( - 2 ) -20-4 ) = ( 36 -8 -24 ) und AD = BC = ( 7-41 -11-( - 10 ) 10-( - 20 ) ) = ( -34 -1 30 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 -264 -308 ) | = (-264) 2 + (-264)2 + (-308) 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(-8|-17|9), B(0|19|-15) und C(5|3|3).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( 0-( - 8 ) 19-( - 17 ) -15-9 ) = ( 8 36 -24 ) und AC = ( 5-( - 8 ) 3-( - 17 ) 3-9 ) = ( 13 20 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 36 -24 ) × ( 13 20 -6 ) = ( 36 · ( -6 ) - ( -24 ) · 20 -24 · 13 - 8 · ( -6 ) 8 · 20 - 36 · 13 ) = ( -216 +480 -312 +48 160 -468 ) = ( 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(-7|7|-7), B(20|-11|-1), C(33|-5|19) und D(6|13|13) und als Spitze S(22|28|-14). 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 = ( 20-( - 7 ) -11-7 -1-( - 7 ) ) = ( 27 -18 6 ) und AD = BC = ( 33-20 -5-( - 11 ) 19-( - 1 ) ) = ( 13 6 20 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -396 -462 396 ) | = (-396) 2 + (-462)2 + 396 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 = ( -7 7 -7 ) + r ( 27 -18 6 ) + s ( 13 6 20 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil der Vektor ( 6 7 -6 ) orthogonal zu ( 27 -18 6 ) und ( 13 6 20 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -7 7 -7 ) ] ( 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(-7|7|-7) erhält man
d = 6(-7) + 77 + (-6)(-7)
also:

6 x 1 +7 x 2 -6 x 3 = 49

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 22+7 28-6 ( - 14 )-49 | 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 · 726 · 33 = 7986

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(2|1|1), B(-10|17|1), C(-21|15|1) und als Spitze S(-5|2|4).
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 = ( -10-2 17-1 1-1 ) = ( -12 16 0 ) und AC = ( -21-2 15-1 1-1 ) = ( -23 14 0 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 0 0 200 ) | = 0 2 + 02 + 200 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 1 1 ) + r ( -12 16 0 ) + s ( -23 14 0 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( -12 16 0 ) in der x3-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -16 -12 t ) für jedes t orthogonal zu ( -12 16 0 ) , denn ( -12 16 0 ) ( -16 -12 t ) =(-12)(-16) + 16(-12) + 0t = 192-192+0=0.

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

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

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

= 200⋅ ( 0 0 1 )

Weil der Vektor ( 0 0 1 ) orthogonal zu ( -12 16 0 ) und ( -23 14 0 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 2 1 1 ) ] ( 0 0 1 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also + x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(2|1|1) erhält man
d = 02 + 01 + 11
also:

+ x 3 = 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 ( - 5 )+0 2+1 4-1 | 0 2 + 0 2 + 1 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(1|2|14), der Punkt C(-6|-10|7) und die Gerade g: x = ( 1 2 14 ) +t ( -2 6 9 ) . 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 ( -2 t 6 t 9 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -6-1 -10-2 7-14 ) = ( -7 -12 -7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 66 t -77 t 66 t ) | = 4356 t 2 +5929 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 ( 1 -2 t | 2 +6 t | 14 +9 t ) ergibt
B1(-9|32|59).

2. Fall

- 121t = 605 |: -121

t = -5

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 1 -2 t | 2 +6 t | 14 +9 t ) ergibt
B2(11|-28|-31).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 15 .

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 +5 x 2 +5 x 3 = 15 ein.

S1: 5 x +5 0 +5 0 = 15 => x= 3 5 =0.6, also S1(3|0|0)
S2: 5 0 +5 y +5 0 = 15 => y= 3 5 =0.6, also S2(0|3|0)
S3: 5 0 +5 0 +5 z = 15 => z= 3 5 =0.6, also S3(0|0|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 ⋅ 3⋅3 = 4.5, 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 OS3= 3 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅3
=4.5

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 24. 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 = 24 |⋅24
d 2 = 576 | 2
d1 = - 576 = -24
d2 = 576 = 24

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24

Aber auch E2: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -24 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-8|0) und S3(0|0|-6). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 24 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 +3 x 2 +2 x 3 = 0 .

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

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

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

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 108 d 3 = 2 |⋅108
d 3 = 216 | 3
d = 216 3 = 6

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 6

Aber auch E2: 3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -6 ist eine Lösung.

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