Mathematik

Formeln für Schnittwinkel von Geraden

Hauptformel

Der Schnittwinkel α \alpha zwischen zwei Geraden mit den Richtungsvektoren v 1 ⃗ \vec{v_1} und v 2 ⃗ \vec{v_2} wird berechnet durch:

α = arccos ⁡ ( ∣ v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ ∣ ∣ v 1 ⃗ ∣ ⋅ ∣ v 2 ⃗ ∣ ) \alpha = \arccos\left(\frac{|\vec{v_1} \cdot \vec{v_2}|}{|\vec{v_1}| \cdot |\vec{v_2}|}\right)

Der Schnittwinkel liegt immer im Bereich 0 ° ≤ α ≤ 90 ° 0° \leq \alpha \leq 90° .

Warum der Betrag?

Der Betrag ∣ v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ ∣ |\vec{v_1} \cdot \vec{v_2}| im Zähler sorgt dafür, dass:

  • Immer der kleinere der beiden möglichen Winkel berechnet wird
  • Der Schnittwinkel zwischen 0° und 90° liegt
  • Die Orientierung der Richtungsvektoren keine Rolle spielt

Beispiel für die Bedeutung des Betrags

Richtungsvektoren: a ⃗ = ( 1 0 0 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix} und b ⃗ = ( − 1 0 0 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}-1\\0\\0\end{pmatrix}

Ohne Betrag: cos ⁡ ( β ) = − 1 1 ⋅ 1 = − 1 ⇒ β = 180 ° \cos(\beta) = \frac{-1}{1 \cdot 1} = -1 \Rightarrow \beta = 180°

Mit Betrag: cos ⁡ ( α ) = ∣ − 1 ∣ 1 ⋅ 1 = 1 ⇒ α = 0 ° \cos(\alpha) = \frac{|-1|}{1 \cdot 1} = 1 \Rightarrow \alpha = 0°

Die Geraden sind parallel → Schnittwinkel = 0°

Schrittweises Vorgehen

Algorithmus für Geraden g 1 : x ⃗ = a 1 ⃗ + t ⋅ v 1 ⃗ g_1: \vec{x} = \vec{a_1} + t \cdot \vec{v_1} und g 2 : x ⃗ = a 2 ⃗ + s ⋅ v 2 ⃗ g_2: \vec{x} = \vec{a_2} + s \cdot \vec{v_2} :

  1. Richtungsvektoren identifizieren: v 1 ⃗ \vec{v_1} und v 2 ⃗ \vec{v_2}

  2. Skalarprodukt berechnen: v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ \vec{v_1} \cdot \vec{v_2}

  3. Beträge berechnen: ∣ v 1 ⃗ ∣ |\vec{v_1}| und ∣ v 2 ⃗ ∣ |\vec{v_2}|

  4. Betrag des Skalarprodukts: ∣ v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ ∣ |\vec{v_1} \cdot \vec{v_2}|

  5. Cosinus berechnen: cos ⁡ ( α ) = ∣ v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ ∣ ∣ v 1 ⃗ ∣ ⋅ ∣ v 2 ⃗ ∣ \cos(\alpha) = \frac{|\vec{v_1} \cdot \vec{v_2}|}{|\vec{v_1}| \cdot |\vec{v_2}|}

  6. Schnittwinkel bestimmen: α = arccos ⁡ ( cos ⁡ ( α ) ) \alpha = \arccos(\cos(\alpha))

Beispiel

Gegeben: g 1 : x ⃗ = ( 1 2 3 ) + t ⋅ ( 2 1 − 1 ) g_1: \vec{x} = \begin{pmatrix}1\\2\\3\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix} g 2 : x ⃗ = ( 0 1 2 ) + s ⋅ ( 1 − 2 2 ) g_2: \vec{x} = \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}

Schritt 1: v 1 ⃗ = ( 2 1 − 1 ) \vec{v_1} = \begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix} , v 2 ⃗ = ( 1 − 2 2 ) \vec{v_2} = \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}

Schritt 2: v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ = 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ ( − 2 ) + ( − 1 ) ⋅ 2 = 2 − 2 − 2 = − 2 \vec{v_1} \cdot \vec{v_2} = 2 \cdot 1 + 1 \cdot (-2) + (-1) \cdot 2 = 2 - 2 - 2 = -2

Schritt 3: ∣ v 1 ⃗ ∣ = 4 + 1 + 1 = 6 |\vec{v_1}| = \sqrt{4 + 1 + 1} = \sqrt{6} , ∣ v 2 ⃗ ∣ = 1 + 4 + 4 = 3 |\vec{v_2}| = \sqrt{1 + 4 + 4} = 3

Schritt 4: ∣ v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ ∣ = ∣ − 2 ∣ = 2 |\vec{v_1} \cdot \vec{v_2}| = |-2| = 2

Schritt 5: cos ⁡ ( α ) = 2 6 ⋅ 3 = 2 3 6 \cos(\alpha) = \frac{2}{\sqrt{6} \cdot 3} = \frac{2}{3\sqrt{6}}

Schritt 6: α = arccos ⁡ ( 2 3 6 ) ≈ 73,2 ° \alpha = \arccos\left(\frac{2}{3\sqrt{6}}\right) \approx 73{,}2°

Spezialfälle

Lagebeziehung Bedingung Schnittwinkel
Parallel v 1 ⃗ = k ⋅ v 2 ⃗ \vec{v_1} = k \cdot \vec{v_2} α = 0 ° \alpha = 0°
Orthogonal v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ = 0 \vec{v_1} \cdot \vec{v_2} = 0 α = 90 ° \alpha = 90°
Identisch Parallel + gemeinsamer Punkt α = 0 ° \alpha = 0°
Windschief Kein Schnittpunkt Winkel trotzdem definiert

Parallelität prüfen

Zwei Geraden sind parallel, wenn ihre Richtungsvektoren linear abhängig sind: v 1 ⃗ = k ⋅ v 2 ⃗ \vec{v_1} = k \cdot \vec{v_2} für ein k ≠ 0 k \neq 0

Bei parallelen Geraden ist der Schnittwinkel immer 0°.

Beispiel

v 1 ⃗ = ( 6 − 3 9 ) \vec{v_1} = \begin{pmatrix}6\\-3\\9\end{pmatrix} und v 2 ⃗ = ( − 2 1 − 3 ) \vec{v_2} = \begin{pmatrix}-2\\1\\-3\end{pmatrix}

Prüfung: v 1 ⃗ = − 3 ⋅ v 2 ⃗ = − 3 ⋅ ( − 2 1 − 3 ) = ( 6 − 3 9 ) \vec{v_1} = -3 \cdot \vec{v_2} = -3 \cdot \begin{pmatrix}-2\\1\\-3\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}6\\-3\\9\end{pmatrix}

Die Richtungsvektoren sind linear abhängig → Geraden sind parallel → Schnittwinkel = 0°

Orthogonalität prüfen

Zwei Geraden sind orthogonal, wenn ihre Richtungsvektoren orthogonal sind: v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ = 0 \vec{v_1} \cdot \vec{v_2} = 0

Bei orthogonalen Geraden ist der Schnittwinkel immer 90°.

Beispiel

v 1 ⃗ = ( 1 2 − 1 ) \vec{v_1} = \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix} und v 2 ⃗ = ( 3 − 1 1 ) \vec{v_2} = \begin{pmatrix}3\\-1\\1\end{pmatrix}

Skalarprodukt: v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ = 1 ⋅ 3 + 2 ⋅ ( − 1 ) + ( − 1 ) ⋅ 1 = 3 − 2 − 1 = 0 \vec{v_1} \cdot \vec{v_2} = 1 \cdot 3 + 2 \cdot (-1) + (-1) \cdot 1 = 3 - 2 - 1 = 0

Die Richtungsvektoren sind orthogonal → Geraden stehen senkrecht → Schnittwinkel = 90°

Unterschiedliche Richtungsvektordarstellungen

Wichtig: Eine Gerade kann verschiedene Richtungsvektoren haben. Der Schnittwinkel bleibt dabei unverändert!

Beispiel

Die Gerade g : x ⃗ = a ⃗ + t ⋅ ( 2 4 − 2 ) g: \vec{x} = \vec{a} + t \cdot \begin{pmatrix}2\\4\\-2\end{pmatrix} kann auch dargestellt werden als:

  • g : x ⃗ = a ⃗ + s ⋅ ( 1 2 − 1 ) g: \vec{x} = \vec{a} + s \cdot \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix} (Faktor 1 2 \frac{1}{2} )
  • g : x ⃗ = a ⃗ + r ⋅ ( − 4 − 8 4 ) g: \vec{x} = \vec{a} + r \cdot \begin{pmatrix}-4\\-8\\4\end{pmatrix} (Faktor − 2 -2 )

Alle Darstellungen ergeben denselben Schnittwinkel mit anderen Geraden.

🔖 Formel

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