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Flächeninhalt eines Parallelogramms

Beispiel:

Das Dreieck ABC mit A(-5|-3|-11), B(11|1|21) und C(-5|6|-2) 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 -3 -11 ) + ( -16 5 -23 ) = ( -21 2 -34 )

Der Gesuchte Punkt ist also D(-21|2|-34).

Den Flächeninhalt des Parallelogramms berechnet man am einfachsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) von zwei Seitenvektoren. Dazu nehmen wir die Seitenvektoren
AB = ( 11-( - 5 ) 1-( - 3 ) 21-( - 11 ) ) = ( 16 4 32 ) und AD = BC = ( -5-11 6-1 -2-21 ) = ( -16 5 -23 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 16 4 32 ) × ( -16 5 -23 ) = ( 4 · ( -23 ) - 32 · 5 32 · ( -16 ) - 16 · ( -23 ) 16 · 5 - 4 · ( -16 ) ) = ( -92 -160 -512 +368 80 +64 ) = ( -252 -144 144 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -252 -144 144 ) | = (-252) 2 + (-144)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|-7|6), B(7|-3|-2) und C(6|-2|2).

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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 ) -3-( - 7 ) -2-6 ) = ( 8 4 -8 ) und AC = ( 6-( - 1 ) -2-( - 7 ) 2-6 ) = ( 7 5 -4 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( 8 4 -8 ) × ( 7 5 -4 ) = ( 4 · ( -4 ) - ( -8 ) · 5 -8 · 7 - 8 · ( -4 ) 8 · 5 - 4 · 7 ) = ( -16 +40 -56 +32 40 -28 ) = ( 24 -24 12 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 24 -24 12 ) | = 24 2 + (-24)2 + 12 2 = 1296 = 36 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 ⋅ 36 = 18.

Volumen einer Pyramide (Parallelogramm)

Beispiel:

Eine Pyramide hat als Grundseite das Parallelogramm ABCD mit A(3|-4|3), B(-21|8|-5), C(-21|15|-19) und D(3|3|-11) und als Spitze S(6|19|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 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 8-( - 4 ) -5-3 ) = ( -24 12 -8 ) und AD = BC = ( -21-( - 21 ) 15-8 -19-( - 5 ) ) = ( 0 7 -14 ) .

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

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( -112 -336 -168 ) | = (-112) 2 + (-336)2 + (-168) 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 -4 3 ) + r ( -24 12 -8 ) + s ( 0 7 -14 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

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

Weil beim Vektor ( 0 7 -14 ) in der x1-Koordinate eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 14 7 ) für jedes t orthogonal zu ( 0 7 -14 ) , denn ( 0 7 -14 ) ( t 14 7 ) =0t + 714 + (-14)7 = 0+98-98=0.

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

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

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

= -56⋅ ( 2 6 3 )

Weil der Vektor ( 2 6 3 ) orthogonal zu ( -24 12 -8 ) und ( 0 7 -14 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 -4 3 ) ] ( 2 6 3 ) = 0
Unsere Ebenengleichung in Koordinatenform ist also 2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = d

Durch Einsetzen des Aufpunktes der Ebene A(3|-4|3) erhält man
d = 23 + 6(-4) + 33
also:

2 x 1 +6 x 2 +3 x 3 = -9

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+6 19+3 4+9 | 2 2 + 6 2 + 3 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(3|5|0), B(-3|23|9), C(-15|17|13) und als Spitze S(6|-4|20).
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 = ( -3-3 23-5 9-0 ) = ( -6 18 9 ) und AC = ( -15-3 17-5 13-0 ) = ( -18 12 13 ) .

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -6 18 9 ) × ( -18 12 13 ) = ( 18 · 13 - 9 · 12 9 · ( -18 ) - ( -6 ) · 13 -6 · 12 - 18 · ( -18 ) ) = ( 234 -108 -162 +78 -72 +324 ) = ( 126 -84 252 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | a x b | = | ( 126 -84 252 ) | = 126 2 + (-84)2 + 252 2 = 86436 = 294 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 ⋅ 294 = 147.

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 = ( 3 5 0 ) + r ( -6 18 9 ) + s ( -18 12 13 )

Aufstellen der Koordinatengleichung

Wir berechnen einen Normalenvektor, der senkrecht zu den beiden Spannvektoren steht: n = ( -6 18 9 ) × ( -18 12 13 ) = ( 18 · 13 - 9 · 12 9 · ( -18 ) - ( -6 ) · 13 -6 · 12 - 18 · ( -18 ) ) = ( 234 -108 -162 +78 -72 +324 ) = ( 126 -84 252 ) = 42⋅ ( 3 -2 6 )

Weil der Vektor ( 3 -2 6 ) orthogonal zu ( -6 18 9 ) und ( -18 12 13 ) , also orthogonal zur Ebene und damit zu jedem Vektor in der Ebene ist, gilt die Normalengleichung der Ebene:
[ x - ( 3 5 0 ) ] ( 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|5|0) erhält man
d = 33 + (-2)5 + 60
also:

3 x 1 -2 x 2 +6 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 = | 3 6-2 ( - 4 )+6 20+1 | 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 · 147 · 21 = 1029

Pkt auf Gerade mit Dreiecksinhalt finden

Beispiel:

Gegeben ist der Punkt A(12|-4|-16), der Punkt C(-1|-4|-7) und die Gerade g: x = ( 12 -4 -16 ) +t ( -3 0 4 ) . A liegt in g.
Bestimme alle möglichen Koordinaten für einen Punkt B auf der Geraden g, so dass das Dreieck ABC den Flächeninhalt A = 37,5 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 ( -3 t 0 t 4 t ) schreiben. Den anderen Seitenvektor berechnen wir als AC = ( -1-12 -4-( - 4 ) -7-( - 16 ) ) = ( -13 0 9 ) .

Jetzt berechnen wir das Vektorprodukt in Abhängigkeit von t:

Von diesen beiden Vektoren berechnen wir nun das Vektorprodukt: n = ( -3 t 0 t 4 t ) × ( -13 0 9 ) = ( 0 · 9 - 4 t · 0 4 t · ( -13 ) - ( -3 t ) · 9 -3 t · 0 - 0 · ( -13 ) ) = ( 0+0 -52 t +27 t 0+0 ) = ( 0 -25 t 0 ) .

Der Betrag dieses Vektorproduktvektors | AB x AC | = | ( 0 -25 t 0 ) | = 0 +625 t 2 +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 37,5 hat genau den halben Flächeninhalt:
A = 1 2 | AB x AC | = 1 2 | 25t | = 37,5 |⋅2

| 25t | = 75

1. Fall

25t = 75 |: 25

t = 3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | -4 +0 t | -16 +4 t ) ergibt
B1(3|-4|-4).

2. Fall

- 25t = 75 |: -25

t = -3

eingesetzt in den allgemeinen Geradenpunkt G t ( 12 -3 t | -4 +0 t | -16 +4 t ) ergibt
B2(21|-4|-28).

Pyramide aus Spurpunkten einer Ebene

Beispiel:

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

S1: 4 x +2 0 +1 0 = 12 => x= 12 4 =3, also S1(3|0|0)
S2: 4 0 +2 y +1 0 = 12 => y= 12 2 =6, also S2(0|6|0)
S3: 4 0 +2 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⋅6 = 9, 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 ⋅9⋅12
=36

Spurpunktdreieck rückwärts

Beispiel:

Die Ebene E ist parallel zur Ebene F: x 1 +3 x 2 +2 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 81. 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 +3 x 2 +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 +3 x 2 +2 x 3 = d einsetzen, erhalten wir:

S1: 1 x +3 0 +2 0 = d => x = d 1 , also S1( d 1 |0|0)
S2: 1 0 +3 y +2 0 = d => y = d 3 , also S2(0| d 3 |0)
S3: 1 0 +3 0 +2 z = d => z = d 2 , also S3(0|0| d 2 )

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 1 d 2 = d 2 4

Für den Flächeninhalt des Dreiecks ergibt sich also die Gleichung:

1 4 d 2 = 81 |⋅4
d 2 = 324 | 2
d1 = - 324 = -18
d2 = 324 = 18

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

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

In diesem Fall wären die Spurpunkte eben S1(-18|0|0), S2(0|-6|0) und S3(0|0|-9). Die Spurpunktpyramide wäre also gegenüber der von E: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 18 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 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 +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 = 54 |⋅108
d 3 = 5832 | 3
d = 5832 3 = 18

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

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

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