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Vektoren quadratische Pyramide O und V

Aufgabe: Vektoren quadratische Pyramide O und V


Gegeben: quadratische Pyramide mit Grundfläche ABCD [A (0/0/3), B (4/4/5), C, D (4/-2/-1)]. Die Spitze S liegt in der Ebene ε: z = 8. 

a) ermittle die Koordinaten von C  

b) ermittle die Koordinaten von S  

c) Zeige, dass ABCD ein Quadrat ist. 

d) Berechne das Volumen  

e) Berechne die Oberfläche

 

Lösung:

a) Wir ermitteln die Koordinate C:

vAD =  (4/-2/-1) – (0/0/3)

vAD = (4/-2/-4)   

C = B + vAD

C = (4/4/5) + (4/-2/-4)  

C = (8/2/1) 

 

b) Wir ermitteln die Spitze S:

1. Schritt: Berechne den Mittelpunkt M:

vAC = (8/2/1) – (0/0/3)   d.f.  vAC = (8/2/-2)

M = A + vAC : 2

M = (0/0/3) + (4/1/-1) 

M = (4/1/2)

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2. Schritt: Wir ermitteln den Normalvektor der Grundfläche (Ausgangspunkt B):

A (0/0/3), B (4/4/5), C, D (4/-2/-1)

vBA  = (0/0/3) – (4/4/5)   d.f.  (-4/-4/-2)

vBC  = (8/2/1) – (4/4/5)   d.f. (4/-2/-4) 

 

Kreuzprodukt:

vBA x vBC 

(-4/-4/-2) x (4/-2/-4) =  (12/24/24) / : 12

vn = (1/2/2)

 

3. Schritt: Wir stellen eine Gerade auf, die durch den Mittelpunkt M geht:

Anmerkung: Der Normalvektor der Ebene entspricht dem Richtungsvektor der Geraden, die durch den Mittelpunkt M geht!

g: vx = M + vn

g: vx = (4/1/2) + s * (1/2/2) 

 

4. Schritt: Wir schneiden die Ebene ε mit der Geraden g:

Anmerkung: Da die Ebene nur aus z = 8 besteht, brauchen wir von der Geraden nur die “z-Zeile”: 

z = (2 + 2s)    und  z = 8 

d.f. g ∩ ε

(2 + 2s) = 8  

2 + 2s = 8  / – 2 

2s = 6    / : 2 

s = 3 

 

5. Schritt: Wir ermitteln S, indem wir für s die Zahl 3 in der Gerade einsetzen:

g: vx = (4/1/2) + 3 * (1/2/2) 

Sx = 4 + 3 *1  d.f. Sx = 7 

Sy = 1 + 3 * 2  d.f. Sy = 7

Sz = 2 + 3 * 2 =  d.f Sz = 8     

S (7/7/8)

 

c) Zeige, dass ABCD ein Quadrat ist

1. Schritt: Wir ermitteln die Diagonalen vAC und vBD

vAC = (8/2/1)  – (0/0/3)   d.f.  (8/2/-2)

vBD = (4/-2/-1)  – (4/4/5)   d.f.  (0/-6/-6)

 

2. Schritt: Wir berechnen die Länge der Diagonalen:

IvACI  = √(8² + 2² + (-2)²)   = √72

IvBDI  = √(0² + (-6)² + (-6)²)  = √72

Die Diagonalen sind gleich lang! 

 

3. Schritt: Wir multiplizieren, die Vektoren der beiden Diagonalen:

(8/2/-2) * (0/-6/-6) = 0 – 12 + 12  = 0 

Die Diagonalen stehen im rechten Winkel aufeinander!

A: Da die Diagonalen gleich lang sind und im rechten Winkel aufeinander stehen, handelt es sich um ein Quadrat! 

 

e) Berechne die Oberfläche

1. Schritt: Die Grundfläche kennen wir vom Volumen

Gf = 36 FE 

 

2. Schritt: Der Mantel wird mit dem Normalvektor einer Seitenfläche * 4 berechnet 

vBA = (0/0/3)  – (-4/-4/5) = (-4/-4/2)  

vBS = (7/-5/8)  – (-4/-4/-5)  = (3/-9/3)

 

Kreuzprodukt   (-4/-4/-2)  x  (3/-9/3) 

d.f. vn = (30/-6/48)

 

Eine Seitenfläche ist die Hälfte des Normalvektors (Dreieck)

IvnI = √(30² + (-6)² + 48²)   

IvnI = 56,92 

d.f. Seitenfläche 56,92 : 2 = 24,46 FE 

 

3. Schritt: Oberflächenberechnung:

O = Gf + M

O = 36 + 4 * 24,46 

O = 149,8 FE