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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-7|-23|-22), B(1|13|2) und C(8|6|-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 = ( -7 -23 -22 ) + ( 7 -7 -12 ) = ( 0 -30 -34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(0|-30|-34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 1-( - 7 ) 13-( - 23 ) 2-( - 22 ) ) = ( 8 36 24 ) und AD = BC = ( 8-1 6-13 -10-2 ) = ( 7 -7 -12 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -264 264 -308 ) | = (-264) 2 + 2642 + (-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(2|4|0), B(-22|-8|8) und C(-1|-1|8).

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Am einfachsten berechnet man den Dreiecksflächeninhalt über das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu berechnen wir zuerst die Seitenvektoren AB = ( -22-2 -8-4 8-0 ) = ( -24 -12 8 ) und AC = ( -1-2 -1-4 8-0 ) = ( -3 -5 8 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -24 -12 8 ) × ( -3 -5 8 ) = ( -12 · 8 - 8 · ( -5 ) 8 · ( -3 ) - ( -24 ) · 8 -24 · ( -5 ) - ( -12 ) · ( -3 ) ) = ( -96 +40 -24 +192 120 -36 ) = ( -56 168 84 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -56 168 84 ) | = (-56) 2 + 1682 + 84 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|-1|2), B(21|-9|14), C(21|-23|21) und D(-3|-15|9) und als Spitze S(-6|0|25). 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 = ( 21-( - 3 ) -9-( - 1 ) 14-2 ) = ( 24 -8 12 ) und AD = BC = ( 21-21 -23-( - 9 ) 21-14 ) = ( 0 -14 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 24 -8 12 ) × ( 0 -14 7 ) = ( -8 · 7 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - 24 · 7 24 · ( -14 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -56 +168 0 -168 -336 +0 ) = ( 112 -168 -336 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 112 -168 -336 ) | = 112 2 + (-168)2 + (-336) 2 = 153664 = 392 entspricht dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird.

Der gesuchte Flächeninhalt ist somit A = | a x b | = 392.

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 -1 2 ) + r ( 24 -8 12 ) + s ( 0 -14 7 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 -14 7 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t -7 -14 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 -14 7 ) , denn ( 0 -14 7 ) ( t -7 -14 ) =0t + (-14)(-7) + 7(-14) = 0+98-98=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 24 -8 12 ) ( t -7 -14 ) = 24⋅t -112 = 0 wird, also t= 14 3 = 14 3 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n = ( 14 3 -7 -14 ) = 1 3 ( 14 -21 -42 ) = -7 3 ( -2 3 6 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n = ( 24 -8 12 ) × ( 0 -14 7 ) = ( -8 · 7 - 12 · ( -14 ) 12 · 0 - 24 · 7 24 · ( -14 ) - ( -8 ) · 0 ) = ( -56 +168 0 -168 -336 +0 ) = ( 112 -168 -336 )

= -56⋅ ( -2 3 6 )

Weil der Vektor ( -2 3 6 ) orthogonal zu ( 24 -8 12 ) und ( 0 -14 7 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -3 -1 2 ) ] ( -2 3 6 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -2 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(-3|-1|2) erhält man
d = (-2)(-3) + 3(-1) + 62
also:

-2 x 1 +3 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 = | -2 ( - 6 )+3 0+6 25-15 | ( - 2 ) 2 + 3 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 · 392 · 21 = 2744

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(-2|4|-1), B(25|10|-19), C(29|28|-7) und als Spitze S(18|-5|26).
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 = ( 25-( - 2 ) 10-4 -19-( - 1 ) ) = ( 27 6 -18 ) und AC = ( 29-( - 2 ) 28-4 -7-( - 1 ) ) = ( 31 24 -6 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 27 6 -18 ) × ( 31 24 -6 ) = ( 6 · ( -6 ) - ( -18 ) · 24 -18 · 31 - 27 · ( -6 ) 27 · 24 - 6 · 31 ) = ( -36 +432 -558 +162 648 -186 ) = ( 396 -396 462 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 396 -396 462 ) | = 396 2 + (-396)2 + 462 2 = 527076 = 726 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 ⋅ 726 = 363.

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 4 -1 ) + r ( 27 6 -18 ) + s ( 31 24 -6 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( 27 6 -18 ) × ( 31 24 -6 ) = ( 6 · ( -6 ) - ( -18 ) · 24 -18 · 31 - 27 · ( -6 ) 27 · 24 - 6 · 31 ) = ( -36 +432 -558 +162 648 -186 ) = ( 396 -396 462 ) = 66⋅ ( 6 -6 7 )

Weil der Vektor ( 6 -6 7 ) orthogonal zu ( 27 6 -18 ) und ( 31 24 -6 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( -2 4 -1 ) ] ( 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(-2|4|-1) erhält man
d = 6(-2) + (-6)4 + 7(-1)
also:

6 x 1 -6 x 2 +7 x 3 = -43

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 18-6 ( - 5 )+7 26+43 | 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 · 363 · 33 = 3993

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(-1|-8|-7), der Punkt C(-1|-7|0) und die Gerade g: x = ( -1 -8 -7 ) +t ( 0 4 3 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 50 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 ( 0 t 4 t 3 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-( - 1 ) -7-( - 8 ) 0-( - 7 ) ) = ( 0 1 7 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 0 t 4 t 3 t ) × ( 0 1 7 ) = ( 4 t · 7 - 3 t · 1 3 t · 0 - 0 · 7 0 · 1 - 4 t · 0 ) = ( 28 t -3 t 0+0 0+0 ) = ( 25 t 0 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 25 t 0 0 ) | = 625 t 2 +0+0 = 625 t 2 = | 25t | entspricht ja gerade dem Flächeninhalt des Parallelogramms, das von diesen beiden Vektoren aufgespannt wird. Das gesuchte Dreieck mit dem Flächeninhalt 50 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 50 |⋅2

| 25t | = 100

1. Fall

25t = 100 |: 25

t = 4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +0 t | -8 +4 t | -7 +3 t ) ergibt
B1(-1|8|5).

2. Fall

- 25t = 100 |: -25

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( -1 +0 t | -8 +4 t | -7 +3 t ) ergibt
B2(-1|-24|-19).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

Gegeben ist die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 12 .

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 +4 x 2 +2 x 3 = 12 ein.

S1: 1 x +4 0 +2 0 = 12 => x=12=12, also S1(12|0|0)
S2: 1 0 +4 y +2 0 = 12 => y= 12 4 =3, also S2(0|3|0)
S3: 1 0 +4 0 +2 z = 12 => z= 12 2 =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 ⋅ 12⋅3 = 18, 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 ⋅18⋅6
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +5 x 2 + 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 10. 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:

x 1 +5 x 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 x 1 +5 x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +5 0 +1 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +5 y +1 0 = d => y = d 5 , also S2(0| d 5 |0)
S3: 1 0 +5 0 +1 z = d => z = d 1 , also S3(0|0| d 1 )

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 1 d 5 = d 2 10

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 10 d 2 = 10 |⋅10
d 2 = 100 | 2
d1 = - 100 = -10
d2 = 100 = 10

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 10

Aber auch E2: x 1 +5 x 2 + x 3 = -10 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-10|0|0), S2(0|-2|0) und S3(0|0|-10). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 10 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 +2 x 2 +2 x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 225. 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 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 )

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 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 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 2 d 2 = d 3 120

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 120 d 3 = 225 |⋅120
d 3 = 27000 | 3
d = 27000 3 = 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 hätte somit das gleiche Volumen.