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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-13|-1|15), B(-1|-1|-1) und C(0|-1|6) 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 → = ( -13 -1 15 ) + ( 1 0 7 ) = ( -12 -1 22 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-12|-1|22).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB → = ( -1-( - 13 ) -1-( - 1 ) -1-15 ) = ( 12 0 -16 ) und AD → = BC → = ( 0-( - 1 ) -1-( - 1 ) 6-( - 1 ) ) = ( 1 0 7 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 12 0 -16 ) × ( 1 0 7 ) = ( 0 · 7 - ( -16 ) · 0 -16 · 1 - 12 · 7 12 · 0 - 0 · 1 ) = ( 0+0 -16 -84 0+0 ) = ( 0 -100 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 0 -100 0 ) | = 0 2 + (-100)2 + 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|7|-9), B(7|-29|15) und C(10|-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 → = ( 7-( - 1 ) -29-7 15-( - 9 ) ) = ( 8 -36 24 ) und AC → = ( 10-( - 1 ) -4-7 -9-( - 9 ) ) = ( 11 -11 0 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 -36 24 ) × ( 11 -11 0 ) = ( -36 · 0 - 24 · ( -11 ) 24 · 11 - 8 · 0 8 · ( -11 ) - ( -36 ) · 11 ) = ( 0 +264 264 +0 -88 +396 ) = ( 264 264 308 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( 264 264 308 ) | = 264 2 + 2642 + 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(3|5|3), B(-5|7|19), C(3|23|21) und D(11|21|5) und als Spitze S(-14|25|-8). 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 → = ( -5-3 7-5 19-3 ) = ( -8 2 16 ) und AD → = BC → = ( 3-( - 5 ) 23-7 21-19 ) = ( 8 16 2 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( -8 2 16 ) × ( 8 16 2 ) = ( 2 · 2 - 16 · 16 16 · 8 - ( -8 ) · 2 -8 · 16 - 2 · 8 ) = ( 4 -256 128 +16 -128 -16 ) = ( -252 144 -144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -252 144 -144 ) | = (-252) 2 + 1442 + (-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.

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 5 3 ) + r ⋅ ( -8 2 16 ) + s ⋅ ( 8 16 2 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n → = ( -8 2 16 ) × ( 8 16 2 ) = ( 2 · 2 - 16 · 16 16 · 8 - ( -8 ) · 2 -8 · 16 - 2 · 8 ) = ( 4 -256 128 +16 -128 -16 ) = ( -252 144 -144 ) = 36⋅ ( -7 4 -4 )

Weil der Vektor ( -7 4 -4 ) orthogonal zu ( -8 2 16 ) und ( 8 16 2 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 3 5 3 ) ] ∘ ( -7 4 -4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|5|3) erhält man
d = (-7)⋅3 + 4⋅5 + (-4)⋅3
also:

-7 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = -13

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 = | -7 ⋅ ( - 14 )+4 ⋅ 25-4 ⋅ ( - 8 )+13 | ( - 7 ) 2 + 4 2 + ( - 4 ) 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 324 · 27 = 2916

Volumen einer dreieckigen Pyramide

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Dreieck ABC mit A(5|-3|4), B(13|13|2), C(5|15|-14) und als Spitze S(-20|10|8).
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 → = ( 13-5 13-( - 3 ) 2-4 ) = ( 8 16 -2 ) und AC → = ( 5-5 15-( - 3 ) -14-4 ) = ( 0 18 -18 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n → = ( 8 16 -2 ) × ( 0 18 -18 ) = ( 16 · ( -18 ) - ( -2 ) · 18 -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · 18 - 16 · 0 ) = ( -288 +36 0 +144 144 +0 ) = ( -252 144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a → x b → | = | ( -252 144 144 ) | = (-252) 2 + 1442 + 144 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.

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 → = ( 5 -3 4 ) + r ⋅ ( 8 16 -2 ) + s ⋅ ( 0 18 -18 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 18 -18 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 18 18 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 18 -18 ) , denn ( 0 18 -18 ) ∘ ( t 18 18 ) =0⋅t + 18⋅18 + (-18)⋅18 = 0+324-324=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Vektor ( 8 16 -2 ) ⋅ ( t 18 18 ) = 8⋅t +252 = 0 wird, also t= - 63 2 = - 63 2 .

Der gesuchte Normalenvektor ist also n → = ( - 63 2 18 18 ) = 1 2 ⋅ ( -63 36 36 ) = 9 2 ⋅ ( -7 4 4 )

Alternativ dazu hätte man auch das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) berechnen können: n → = ( 8 16 -2 ) × ( 0 18 -18 ) = ( 16 · ( -18 ) - ( -2 ) · 18 -2 · 0 - 8 · ( -18 ) 8 · 18 - 16 · 0 ) = ( -288 +36 0 +144 144 +0 ) = ( -252 144 144 )

= 36⋅ ( -7 4 4 )

Weil der Vektor ( -7 4 4 ) orthogonal zu ( 8 16 -2 ) und ( 0 18 -18 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x → - ( 5 -3 4 ) ] ∘ ( -7 4 4 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also -7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(5|-3|4) erhält man
d = (-7)⋅5 + 4⋅(-3) + 4⋅4
also:

-7 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -31

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 = | -7 ⋅ ( - 20 )+4 ⋅ 10+4 ⋅ 8+31 | ( - 7 ) 2 + 4 2 + 4 2
= | 243 | 81 = 243 9 = 27

Der Abstand von S zur Ebene E, also die Höhe ist h = 27.

Das Volumen der Pyramide ist dann V = 1 3 · 162 · 27 = 1458

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(4|2|-1), der Punkt C(1|7|7) und die Gerade g: x → = ( 4 2 -1 ) +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 → = ( 1-4 7-2 7-( - 1 ) ) = ( -3 5 8 ) .

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 ) × ( -3 5 8 ) = ( 3 t · 8 - 2 t · 5 2 t · ( -3 ) - ( -6 t ) · 8 -6 t · 5 - 3 t · ( -3 ) ) = ( 24 t -10 t -6 t +48 t -30 t +9 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 ( 4 -6 t | 2 +3 t | -1 +2 t ) ergibt
B1(-20|14|7).

2. Fall

- 49t = 196 |: -49

t = -4

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 4 -6 t | 2 +3 t | -1 +2 t ) ergibt
B2(28|-10|-9).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

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

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= 12 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h
= 1 3 ⋅4.5⋅12
=18

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: 2 x 1 +3 x 2 +3 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 12. 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:

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

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

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 2 ⋅ d 3 = d 2 12

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 12 d 2 = 12 |⋅12
d 2 = 144 | ⋅2
d1 = - 144 = -12
d2 = 144 = 12

Somit ergibt sich als gesuchte Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 12

Aber auch E2: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -12 ist eine Lösung.

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-6|0|0), S2(0|-4|0) und S3(0|0|-4). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 12 einfach am Koordinatenursprung gespiegelt und das gesuchte Dreieck hätte somit den gleichen Flächeninhalt.

Spurpunktpyramide rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 + x 2 + x 3 = 0 .

Die Spurpunkte von E bilden mit dem Koordinatenursprung O(0|0|0) eine Pyramide P mit dem Volumen 4.5. 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 + x 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 x 1 + x 2 + x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

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

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 1 ⋅ d 1 , 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 1 als Höhe der Pyramide verwenden.

Damit gilt für das Volumen der Pyramide:
V = 1 3 ⋅G⋅h = 1 3 ⋅ 1 2 ⋅ d 1 ⋅ d 1 ⋅ d 1 = d 3 6

Für das Volumen ergibt sich also die Gleichung:

1 6 d 3 = 4,5 |⋅6
d 3 = 27 | ⋅3
d = 27 3 = 3

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

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

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