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¿Cómo puedo encontrar el área de un triángulo, en 3D, que se encuentra entre dos planos, z = a y z = B

Muy simple problema de conceptualizar, pero no tengo una buena solución matemática.

Tengo un triángulo con P0 = (x0, y0, z0), P1 = (x1, y1, z1) y P2 = (x2, y2, z2). El triángulo representa una parte de una superficie en un mapa. Además, si el triángulo es proyectada sobre el plano xy debajo de ella, es un triángulo rectángulo con ángulo de P0P1P2 igual a 90 grados, y el ángulo P2P0P1 igual a 30 grados. Quiero averiguar qué porcentaje de la 3D triángulo de la zona se encuentra entre los planos z = a y z = B. Por ejemplo, tomar un triángulo que tiene z0 = 900m, z1 = 1500m, y z2 = 1200m. ¿Qué parte del triángulo de la superficie de la zona se encuentra entre los "contornos" en z = 1100m y z = 1200m?

triangle between two planes

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DavidButlerUofA Puntos 2244

La fracción de la del triángulo de área entre los dos planos es dada por: $$ \frac{(B-z_0)^2 - (A-z_0)^2}{(z_1-z_0)(z_2-z_0)} $$ En tu ejemplo, $z_0 = 900$, $z_1 = 1500$, $z_2 = 1200$, $A = 1100$ y $B= 1200$. De modo que la fracción de área es: $$ \begin{align} \frac{(1200 -900)^2 + (1100-900)^2}{(1500 - 900)(1200-900)} &= \frac{300^2-200^2}{600\times300}\\ & = \frac{90\ 000 - 40\ 000}{600\times 300} \\ &= \frac{50\ 000}{180\ 000}\\ &=\frac{5}{18}\\ &= 27.7\% \end{align} $$

PRUEBA:
Fistly tenga en cuenta que si $Q_{1}$ es un punto en la línea de $P_0P_1$ a continuación, tiene la forma $Q_1=P_0 + t_1(P_1 - P_0)$ algunos $t_1$ e si $Q_2$ es un punto en la línea de $P_0P_2$ a continuación, tiene la forma $Q_2P_0 + t_2(P_2 - P_0)$ algunos $t_2$.

Considere el triángulo $Q_1P_0Q_2$. El área de este triángulo puede ser encontrado a partir de la longitud del producto vectorial de los dos vectores $P_0Q_1$$P_0Q_2$.

Ahora $P_0Q_1 = Q_1- P_0 = P_0 + t_1(P_1 - P_0) - P_0 = t_1(P_1-P_0)$, por lo que tenemos $$ P_0Q_1 = t_1(P_1-P_0)\\ P_0Q_2 = t_2(P_2-P_0)\\ $$ y así $$ \begin{align} P_0Q_1 \times P_0Q_2 &= t_1(P_1-P_0) \times t_2(P_2-P_0)\\ &= t_1 t_2 (P_1 \times P_2 - P_1 \times P_0 - P_0 \times P_2 - P_0 \times P_0)\\ &= t_1 t_2 (P_1 \times P_2 - P_0 \times P_2 + P_2 \times P_0) \end{align} $$ Por lo tanto el área del triángulo $Q_1P_0Q_1$ está dada por: $$ \text{Área de } Q_1P_0Q_1 = \frac{1}{2}t_1t_2 | P_1 \times P_2 - P_0 \times P_2 + P_2 \times P_0 | $$ Para mayor comodidad, vamos a denotar por $W$ cantidad $\frac{1}{2}| P_1 \times P_2 - P_0 \times P_2 + P_2 \times P_0 |$.

Denotar por $P_{1A}$ el punto donde $P_0P_1$ cumple con el plano con ecuación de $z=A$,
por $P_{2A}$ el punto donde $P_0P_2$ cumple con el plano con ecuación de $z=A$,
por $P_{1B}$ el punto donde $P_0P_1$ cumple con el plano con ecuación de $z=B$,
y por $P_{2B}$ el punto donde $P_0P_2$ cumple con el plano con ecuación de $z=B$.

$P_{1A}$ tiene coordenadas $P_0 + t_{1A}(P_1 - P_0)$ algunos $t_{1A}$. La tercera coordenada debe ser$A$, de modo que $z_0 + t_{1A}(z_1 - z_0) = A$. Por lo tanto $t_{1A}=\frac{A - z_0}{z_1 - z_0}$. Del mismo modo, tenemos lo siguiente: $$ P_{1A} = P_0 + t_{1A}(P_1 - P_0) \quad \text{donde } t_{1A} = \frac{A-z_0}{z_1-z_0}\\ P_{2A}= P_0 + t_{2A}(P_2 - P_0) \quad \text{donde } t_{2A} = \frac{A-z_0}{z_2-z_0}\\ P_{1B} = P_0 + t_{1B}(P_1 - P_0) \quad \text{donde } t_{1B} = \frac{B-z_0}{z_1-z_0}\\ P_{2B} = P_0 + t_{2B}(P_2 - P_0) \quad \text{donde } t_{2B} = \frac{B-z_0}{z_2-z_0}\\ $$ También observar que: $P_1 = P_0 + 1(P_1 - P_0)$$P_2 = P_0 + 1(P_2-P_0)$.

Por lo tanto, por el argumento anterior tenemos: $$ \text{Área de } P_1P_0P_2 = 1\cdot 1 W = W\\ \text{Área de } P_{1B}P_0P_{2B} = t_{1B}t_{2B}W\\ \text{Área de } P_{1A}P_0P_{2A} = t_{1A}t_{2A}W $$ El azul-área sombreada en el diagrama es, por tanto, dada por: $$ \begin{align} \text{Area between the two planes} &= t_{1B}t_{2B} W - t_{1A}t_{2B} W \\ &= (t_{1B}t_{2B} - t_{1A}t_{2B}) W\\ &= \left( \frac{B-z_0}{z_1-z_0} \frac{B-z_0}{z_2 - z_0} - \frac{A-z_0}{z_1 - z_0} \frac{A - z_0}{z_2 - z_0}\right) W\\ &= \left( \frac{(B- z_0)^2}{(z_1 - z_0)(z_2-z_0)} - \frac{(A-z_0)^2}{(z_1-z_0)(z_2-z_0)}\right) W\\ &= \frac{(B-z_0)^2 - (A - z_0)^2}{(z_1-z_0)(z_2-z_0)}W \end{align} $$

El área de todo triángulo $P_1P_0P_2$$W$, por lo que la fracción de área que está entre los dos planos es, por tanto, dada por: $$ \text{Fracción de triángulo de área entre los dos planos} = \frac{(B-z_0)^2 - (A-z_0)^2}{(z_1-z_0)(z_2-z_0)} $$

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