Geometrie - Geraden, Ebenen und Kugeln, Matheübungen

- Basisaufgaben zur Wiederholung G9 - 80 Aufgaben in 18 Levels

Aufgabe

Aufgabe 1 von 6 in Level 5
  • Bestimme OHNE ausführliche Rechnung die gegenseitige Lage der beiden Geraden.
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Wie stellt man eine Gerade durch zwei Punkte A und B in Parameterform dar?
#591
Um die Gerade g durch die Punkte A und B in Parameterform darzustellen, kann man z.B.
  • A oder B als Aufpunkt und
  • den Verbindungsvektor von A nach B als Richtungsvektor verwenden.
Beispiel
Gib die Gerade g = AB in Parameterform an mit A(1|-1|2) und B(-2|5|5).
Wie prüft man, ob ein Punkt P auf einer Geraden g in Parameterform liegt?
#592
Um zu prüfen, ob der Punkt P auf der Geraden g liegt, setzt man die Koordinaten von P in die Gleichung von g (Parameterform) ein. Sofern sich der Parameter eindeutig bestimmen lässt, gilt P ∈ g.
Beispiel

Gegeben ist die Gerade g. \[ g: \vec{X} = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix} + \mu \cdot \begin{pmatrix} -3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix} \]

Prüfe, ob die Punkte \( P(-1|3|5) \) und \( Q(10|-13|-1) \) auf \( g \) liegen.

Wie bestimmt man die Spurpunkte einer Geraden in Parameterform?
#593
Um den evtl. Schnittpunkt (Spurpunkt) einer Geraden mit der x1x2-Ebene zu bestimmen, muss man innerhalb der Geradengleichung (Parameterform) x3 = 0 setzen.

Entsprechend setzt man x1 = 0, um den Schnittpunkt mit der x2x3-Ebene zu bestimmen und x2 = 0 für den Schnittpunkt mit der x1x3-Ebene.

Beispiel
Gegeben ist die Gerade g
:
X
=
1,5
−
1,5
1
+
μ
·
−
1
3
2
 
.
Bestimme sämtliche Schnittpunkte mit den Koordinatenebenen.
Welche besonderen Lagebeziehungen zwischen einer Geraden und dem Koordinatensystem sind möglich und welche Rolle spielen dabei der Stützvektor und der Richtungsvektor?
#595
Eine "besondere Lage zum Koordinatensystem" hat eine Gerade g z.B. dann, wenn
  • sie durch den Ursprung geht und/oder
  • sie parallel zu einer Koordinatenebene ist und/oder
  • sie parallel zu einer Achse verläuft oder
  • ihre Punkte zu zwei Achsen denselben Abstand haben oder
  • ihre Punkte zu allen drei Achsen denselben Abstand haben.
Parallele Lagebeziehungen ergeben sich allein aus dem Richtungsvektor von g, für die Frage "echt oder unecht parallel" (UNECHT z.B. dann, wenn g in der x12-Ebene ENTHALTEN ist) muss auch der Ortsvektor, der zum Aufpunkt führt (Stützvektor) in die Betrachtung mit einbezogen werden.
Beispiel
Welche besondere Lage im Koordinatensystem haben folgende Geraden:
g
:
x
=
2
3
−
4
+
μ
·
1
0
−
4
k
:
x
=
1
−
2
3
+
μ
·
0
0
3
 
     
 
h
:
x
=
μ
·
1
1
1
l
:
x
=
μ
·
0
1
1
 
     
 
i
:
x
=
μ
·
1
3
0
m
:
x
=
μ
·
2
7
9
Wie bestimmt man die Lagebeziehung zweier Geraden im Raum und wie erfolgt die rechnerische Ermittlung?
#597
Um zwei Geraden g und h hinsichtlich ihrer Lage zueinander zu untersuchen, betrachtet man zunächst ihre Richtungsvektoren.
  • Sind diese linear abhängig, so sind g und h identisch oder parallel zueinander. Zur Unterscheidung prüft man, ob z.B. der Aufpunkt von g auf h liegt (wenn ja:identisch, ansonsten echt parallel).
  • Sind die Richtungsvektoren linear unabhängig, so setzt man beide Geraden gleich und betrachtet das entstehende Gleichungssystem (drei Gleichungen, zwei unbekannte Parameter). Lässt es sich eindeutig lösen, so schneiden sich g und h in einem Punkt S. Andernfalls (unlösbar) liegen g und h windschief zueinander.
Beispiel
g
:
X
=
1
−
1
5
+
μ
·
−
3
4
2
 
     
 
h
:
X
=
1
3
−
2
+
μ
·
6
8
−
4
i
:
X
=
0
−
3
14
+
μ
·
1
−
2
1
 
     
 
k
:
X
=
−
2
3
7
+
μ
·
2
−
8
3
−
4
3
Untersuche, wie die Gerade g zu den anderen Geraden liegt.
Wie bestimmt man die Parameterform einer Ebene durch drei Punkte A, B und C?
#604
Ist eine Ebene durch drei Punkte A, B, C eindeutig definiert (d.h. die Punkte dürfen nicht alle auf einer Geraden liegen), so kann man z.B. A als Aufpunkt, den Vektor von A nach B als ersten und den Vektor von A nach C als zweiten Richtungsvektor für ihre Gleichung in Parameterform verwenden.
Beispiel
Gib für die Ebene E, die durch die drei Punkte A(2|0|0), B(1,5|2|0,5) und C(0|0|-2) geht, eine Gleichung in Parameterform an.
Wie prüft man, ob ein Punkt P auf einer Ebene E in Parameterform liegt?
#606
Um zu prüfen, ob der Punkt P auf der Ebene E liegt, setzt man die Koordinaten von P in die Gleichung von E (Parameterform) ein. Sofern sich beide Parameter eindeutig bestimmen lassen, gilt P ∈ E.
Beispiel
Gegeben ist die Ebene E
:
X
=
4
3
−
4
+
λ
·
1
−
2
3
+
μ
·
−
2
1
1
 
.
Prüfe, ob der Punkt P(-1|3|5) auf E liegt.
Welche besonderen Lagebeziehungen zwischen einer Ebene und dem Koordinatensystem sind möglich und welche Rolle spielen dabei der Stützvektor und die Richtungsvektoren?
#607
Eine "besondere Lage zum Koordinatensystem" hat eine Ebene E z.B. dann, wenn
  • sie durch den Ursprung geht und/oder
  • sie parallel zu einer Koordinatenebene ist und/oder
  • sie parallel zu einer Achse verläuft.
Parallele Lagebeziehungen ergeben sich allein aus den beiden Richtungsvektoren der Ebene, für die Frage "echt oder unecht parallel" (UNECHT z.B. dann, wenn E die x1-Achse ENTHÄLT) muss auch der Ortsvektor, der zum Aufpunkt führt (Stützvektor) in die Betrachtung mit einbezogen werden.
Beispiel
Welche besondere Lage im Koordinatensystem haben folgende Ebenen:
E
:
X
=
2
3
−
4
+
λ
·
0
1
−
4
+
μ
·
0
3
0
G
:
X
=
λ
·
1
1
−
1
+
μ
·
0
3
2
I
:
X
=
λ
·
0
1
1
+
μ
·
1
0
0
 
        
 
F
:
X
=
1
1
0
+
λ
·
2
0
0
+
μ
·
0
0
−
1
H
:
X
=
0
0
−
5
+
λ
·
2
3
4
+
μ
·
0
0
1
 
 
 
Wie bestimmt man die Lage einer Geraden zu einer Ebene und findet einen Schnittpunkt?
#613

Eine Gerade g und eine Ebene E sind genau dann parallel, wenn der gegebene Richtungsvektor von g und der gegebene Normalenvektor von E senkrecht zueinander sind.

Abgesehen davon kann man die gegenseitige Lage von E und g einschließlich des evtl. vorhandenen Schnittpunkts S wie folgt ermitteln:

  1. Setze g in E ein, d.h. ersetze x1, x2 und x3 in der E-Gleichung durch die entsprechenden Zeilen aus dem g-Gleichungssystem.
  2. Löse die entstehende Gleichung, wenn möglich, nach λ auf und setze das Ergebnis in die g-Gleichung für λ ein.
  3. Fasse zu einem Vektor zusammen, das Ergebnis entspricht S.
Eine Schnittpunkt liegt nur dann vor, wenn sich der zweite Schritt "problemlos" durchführen lässt. Andernfalls sind g und E parallel, und zwar
  • echt parallel, wenn das Auflösen nach λ zu einer falschen Aussage wie z.B. "0 = 1" führt.
  • unecht parallel (E enthält g), wenn sich eine wahre Aussage wie z.B. "0 = 0" ergibt.
Beispiel
E
:
x
1
+
5x
2
−
3x
3
+
9
=
0
g
:
X
=
1
−
2
0
+
λ
 
4
1
3
h
:
X
=
0
−
1
3
+
λ
 
2
−
3
1
Überprüfe die Lage der Ebene E zu den Geraden g und h und bestimme, falls vorhanden, den jeweiligen Schnittpunkt.
Wie kann man feststellen, ob zwei Ebenen parallel, senkrecht oder sich schneidend sind?
#778
Soll man nur die Lagebeziehung von zwei Ebenen ermitteln (und nicht die Schnittgerade aufstellen), so genügt es auch zu prüfen, ...
  • ... ob die Normalenvektoren linear abhängig sind (⇒ E und F parallel). In diesem Fall kann man durch Einsetzen des Aufpunkts der einen Ebene in die andere Ebene prüfen, ob E und F echt parallel oder identisch sind.
  • ... ob die Normalenvektoren senkrecht aufeinander stehen (⇒ auch E und F senkrecht zueinander).
Trifft beides nicht zu, schneiden sich die Ebenen, jedoch nicht senkrecht.
Wie wird der Abstand zweier Punkte mittels eines Vektors bestimmt?
#599
Der Abstand zweier Punkte A und B (= Entfernung) ist gleich der Länge ihres Verbindungsvektors.
Beispiel
Welchen Abstand haben die Punkte A(1|-3|-7) und B(-2|3|-6) von einander?
Wie bestimmt man den Abstand eines Punktes zu einer Ebene in Koordinatenform?
#600
Um den Abstand eines Punktes P(p1 | p2 | p3) von einer Ebene E: n1 x1 + n2 x2 + n3 x3 + n0 = 0 zu ermitteln, gehe wie folgt vor:
  1. Setze P in E ein, d.h. bestimme den Term n1 p1 + n2 p2 + n3 p3 + n0.
  2. Teile den Betrag vom Ergebnis oben durch die Länge des Normalenvektors mit den Koordinaten n1, n2 und n3.
Beispiel
Welchen Abstand hat der Punkt P(1|-2|6) von der Ebene E
:
2x
1
+
x
2
−
4x
3
−
9
=
0
 
?
Wie bestimmt man den Abstand eines Punktes zu einer Geraden? Erläutere zwei Methoden.
#601
Hier zwei alternative Vorgehensweisen, um den Abstand eines Punktes P von einer Geraden g zu bestimmen:

Mittels Hilfsebene:

  1. Führe eine Hilfsebene E ein, die P enthält und senkrecht zu g verläuft (also den Richtungsvektor von g als Normalenvektor besitzt).
  2. Ermittle den Schnittpunkt S von E und g.
  3. Berechne die Entfernung zwischen P und S.

Oder mit Hilfe des "Verbindungsvektors":

  1. Bilde den Vektor, der P mit einem Punkt Qλ der Geraden g verbindet.
  2. Bestimme λ so, dass der Verbindungsvektor senkrecht zu g steht (also das Skalarprodukt mit dem Richtungsvektor von g den Wert 0 ergibt).
  3. Berechne jetzt die Länge des senkrechten Verbindungsvektors.
Beispiel
Welchen Abstand hat der Punkt P(5|-3|2) von der Geraden g: 
x
=
−
2
0
4
+
λ
 
1
2
−
2
?
Wie bestimmt man den Schnittwinkel zwischen zwei Geraden, einer Geraden und einer Ebene sowie zwischen zwei Ebenen?
#1451

Für den Winkel \( \alpha \) zwischen zwei Vektoren (stelle sie dir in ihren Fußpunkten zusammengelegt vor, \( 0^\circ \le \alpha \le 180^\circ \)) gilt:

\[ \cos(\alpha) = \frac{\text{Skalarprodukt beider Vektoren}} {\text{Produkt ihrer Längen}} \]

Den Winkel zwischen anderen geometrischen Objekten bestimmt man wie folgt:

  • Sich schneidende Geraden \( g \) und \( h \): Bestimme den Winkel zwischen den zugehörigen Richtungsvektoren (Ist dieser \( > 90^\circ \), subtrahiere ihn noch von \( 180^\circ \)).
  • Sich schneidende Gerade \( g \) und Ebene \( E \): Subtrahiere den Winkel zwischen dem Richtungsvektor von \( g \) und dem Normalenvektor von \( E \) von \( 90^\circ \) (und nimm den Betrag des Ergebnisses, falls nötig).
  • Sich schneidende Ebenen \( E \) und \( F \): Bestimme den Winkel zwischen den zugehörigen Normalenvektoren (Ist dieser \( > 90^\circ \), subtrahiere ihn noch von \( 180^\circ \)).
Beispiel
Berechne den Schnittwinkel zwischen den Ebenen \(E_1\) und \(E_2\text{:}\) \[ E_1: \; 2x + y - z - 3 = 0 \] \[ E_2: \; x - y + 2z - 1 = 0 \]
Wie können zwei Kugeln zueinander liegen und wie wird dies bestimmt?
#1466

Zwei Kugeln können sich mit einem Schnittkreis schneiden, sich in einem Punkt berühren oder sich garnicht schneiden.

Die Lage untersucht man, indem man den Abstand der beiden Mittelpunkte \(|\overrightarrow{M_1M_2}|\) mit der Summe, beziehungsweise der Differenz, der beiden Radien vergleicht:

  • \( |\overrightarrow{M_1M_2}| < |r_1-r_2| \) oder \(|\overrightarrow{M_1M_2}| > r_1 + r_2 \quad \Rightarrow \) Die Kugeln besitzen keine gemeinsamen Punkte.
  • \( |\overrightarrow{M_1M_2}| = |r_1-r_2| \) oder \(|\overrightarrow{M_1M_2}| = r_1 + r_2 \quad \Rightarrow \) Die Kugeln berühren sich.
  • \( |r_1-r_2| < |\overrightarrow{M_1M_2}| < r_1 + r_2 \quad \Rightarrow \) Die Kugeln schneiden sich.

Beispiel

Ermittle die Lage der beiden Kugeln:

\(K_1: (x_1 - 3)^2 + (x_2 + 1)^2 + (x_3 - 6)^2 = 4\)
\(K_2: (x_1 - 1)^2 + x_2^2 + (x_3 - 4)^2 = 1\)

Wie liegen eine Kugel und eine Ebene zueinander und wie bestimmt man den Berührpunkt oder Schnittkreis?
#1311
Gegeben ist eine Kugel k mit Mittelpunkt M und Radius r sowie eine Ebene E. Der Abstand d von M zu E gibt Aufschluss darüber, welcher der drei Fälle vorliegt:
  1. Im Fall d < r schneiden sich k und E, die Schnittmenge ist ein Kreis. Dessen Radius r' lässt sich mittels Pythagoras bestimmen: r²=d²+(r')²
  2. Im Fall d = r berühren sich k und E in einem Punkt (=Lotfußpunkt F des Lots von M auf E)
  3. Im Fall d > r haben k und E keine gemeinsamen Punkte.
Beispiel
Gegeben ist eine Kugel k mit dem Mittelpunkt M(1|−4|3) und dem Radius 
r
=
4,5
 sowie die Ebene 
E:
 
x
1
−
2x
2
+
5x
3
=
0.
 Stelle fest, ob k und E gemeinsame Punkte besitzen. Falls ja, bestimme den Berührpunkt bzw. Mittelpunkt und Radius des Schnittkreises.