Mathematik

✅ Aufgabensammlung

Ich kann Beträge von Vektoren berechnen

Berechne die Beträge der folgenden Vektoren:

a ⃗ = ( 3 4 0 ) b ⃗ = ( 1 − 2 2 ) c ⃗ = ( − 2 − 3 6 ) \begin{align*} \vec{a} &= \begin{pmatrix}3\\4\\0\end{pmatrix} \\ \vec{b} &= \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix} \\ \vec{c} &= \begin{pmatrix}-2\\-3\\6\end{pmatrix} \end{align*}
Musterlösung

Formel für den Betrag: ∣ v ⃗ ∣ = v 1 2 + v 2 2 + v 3 2 |\vec{v}| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2 + v_3^2}

∣ a ⃗ ∣ = 3 2 + 4 2 + 0 2 = 9 + 16 + 0 = 25 = 5 ∣ b ⃗ ∣ = 1 2 + ( − 2 ) 2 + 2 2 = 1 + 4 + 4 = 9 = 3 ∣ c ⃗ ∣ = ( − 2 ) 2 + ( − 3 ) 2 + 6 2 = 4 + 9 + 36 = 49 = 7 \begin{align*} |\vec{a}| &= \sqrt{3^2 + 4^2 + 0^2} = \sqrt{9 + 16 + 0} = \sqrt{25} = 5 \\ |\vec{b}| &= \sqrt{1^2 + (-2)^2 + 2^2} = \sqrt{1 + 4 + 4} = \sqrt{9} = 3 \\ |\vec{c}| &= \sqrt{(-2)^2 + (-3)^2 + 6^2} = \sqrt{4 + 9 + 36} = \sqrt{49} = 7 \end{align*}
Ich kann Einheitsvektoren bestimmen

Bestimme die Einheitsvektoren zu den gegebenen Vektoren:

u ⃗ = ( 6 0 8 ) v ⃗ = ( 2 − 1 2 ) \begin{align*} \vec{u} &= \begin{pmatrix}6\\0\\8\end{pmatrix} \\ \vec{v} &= \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix} \end{align*}
Musterlösung

Einheitsvektor: e ⃗ = v ⃗ ∣ v ⃗ ∣ \vec{e} = \frac{\vec{v}}{|\vec{v}|}

Für u ⃗ \vec{u} :

∣ u ⃗ ∣ = 6 2 + 0 2 + 8 2 = 36 + 64 = 10 |\vec{u}| = \sqrt{6^2 + 0^2 + 8^2} = \sqrt{36 + 64} = 10

e u ⃗ = 1 10 ( 6 0 8 ) = ( 0,6 0 0,8 ) \vec{e_u} = \frac{1}{10} \begin{pmatrix}6\\0\\8\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0{,}6\\0\\0{,}8\end{pmatrix}

Für v ⃗ \vec{v} :

∣ v ⃗ ∣ = 2 2 + ( − 1 ) 2 + 2 2 = 4 + 1 + 4 = 3 |\vec{v}| = \sqrt{2^2 + (-1)^2 + 2^2} = \sqrt{4 + 1 + 4} = 3

e v ⃗ = 1 3 ( 2 − 1 2 ) = ( 2 3 − 1 3 2 3 ) \vec{e_v} = \frac{1}{3} \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}\frac{2}{3}\\-\frac{1}{3}\\\frac{2}{3}\end{pmatrix}

Ich kann das Skalarprodukt berechnen

Berechne die Skalarprodukte:

a) a ⃗ = ( 2 3 − 1 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}2\\3\\-1\end{pmatrix} , b ⃗ = ( 1 − 2 4 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}1\\-2\\4\end{pmatrix}

b) c ⃗ = ( 5 0 − 3 ) \vec{c} = \begin{pmatrix}5\\0\\-3\end{pmatrix} , d ⃗ = ( 2 7 1 ) \vec{d} = \begin{pmatrix}2\\7\\1\end{pmatrix}

Musterlösung

Formel: u ⃗ ⋅ v ⃗ = u 1 v 1 + u 2 v 2 + u 3 v 3 \vec{u} \cdot \vec{v} = u_1v_1 + u_2v_2 + u_3v_3

a) a ⃗ ⋅ b ⃗ = 2 ⋅ 1 + 3 ⋅ ( − 2 ) + ( − 1 ) ⋅ 4 = 2 − 6 − 4 = − 8 \vec{a} \cdot \vec{b} = 2 \cdot 1 + 3 \cdot (-2) + (-1) \cdot 4 = 2 - 6 - 4 = -8

b) c ⃗ ⋅ d ⃗ = 5 ⋅ 2 + 0 ⋅ 7 + ( − 3 ) ⋅ 1 = 10 + 0 − 3 = 7 \vec{c} \cdot \vec{d} = 5 \cdot 2 + 0 \cdot 7 + (-3) \cdot 1 = 10 + 0 - 3 = 7

Ich kann Orthogonalität prüfen

Prüfe, ob die folgenden Vektorpaare orthogonal sind:

a) p ⃗ = ( 3 − 2 1 ) \vec{p} = \begin{pmatrix}3\\-2\\1\end{pmatrix} , q ⃗ = ( 2 3 0 ) \vec{q} = \begin{pmatrix}2\\3\\0\end{pmatrix}

b) r ⃗ = ( 1 − 1 1 ) \vec{r} = \begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix} , s ⃗ = ( 1 2 1 ) \vec{s} = \begin{pmatrix}1\\2\\1\end{pmatrix}

c) v ⃗ = ( 1 − 2 3 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}1\\-2\\3\end{pmatrix} , w ⃗ = ( 4 5 6 ) \vec{w} = \begin{pmatrix}4\\5\\6\end{pmatrix}

Musterlösung

Zwei Vektoren sind orthogonal, wenn ihr Skalarprodukt null ist.

a) p ⃗ ⋅ q ⃗ = 3 ⋅ 2 + ( − 2 ) ⋅ 3 + 1 ⋅ 0 = 6 − 6 + 0 = 0 \vec{p} \cdot \vec{q} = 3 \cdot 2 + (-2) \cdot 3 + 1 \cdot 0 = 6 - 6 + 0 = 0 → Die Vektoren sind orthogonal.

b) r ⃗ ⋅ s ⃗ = 1 ⋅ 1 + ( − 1 ) ⋅ 2 + 1 ⋅ 1 = 1 − 2 + 1 = 0 \vec{r} \cdot \vec{s} = 1 \cdot 1 + (-1) \cdot 2 + 1 \cdot 1 = 1 - 2 + 1 = 0 → Die Vektoren sind orthogonal.

c) v ⃗ ⋅ w ⃗ = 1 ⋅ 4 + ( − 2 ) ⋅ 5 + 3 ⋅ 6 = 4 − 10 + 18 = 12 \vec{v} \cdot \vec{w} = 1 \cdot 4 + (-2) \cdot 5 + 3 \cdot 6 = 4 - 10 + 18 = 12 → Die Vektoren sind nicht orthogonal.

Ich kann einen orthogonalen Vektor angeben

Gib einen Vektor an, der orthogonal zu den folgenden Vektoren ist:

a) a ⃗ = ( 1 2 3 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}1\\2\\3\end{pmatrix}

b) b ⃗ = ( 4 0 − 1 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}4\\0\\-1\end{pmatrix}

Musterlösung

a) n ⃗ = ( 2 − 1 0 ) \vec{n} = \begin{pmatrix}2\\-1\\0\end{pmatrix} (Beispiel)

Da a ⃗ ⋅ n ⃗ = 1 ⋅ 2 + 2 ⋅ ( − 1 ) + 3 ⋅ 0 = 2 − 2 + 0 = 0 \vec{a} \cdot \vec{n} = 1 \cdot 2 + 2 \cdot (-1) + 3 \cdot 0 = 2 - 2 + 0 = 0

b) m ⃗ = ( 1 0 4 ) \vec{m} = \begin{pmatrix}1\\0\\4\end{pmatrix} (Beispiel)

Da b ⃗ ⋅ m ⃗ = 4 ⋅ 1 + 0 ⋅ 0 + ( − 1 ) ⋅ 4 = 4 + 0 − 4 = 0 \vec{b} \cdot \vec{m} = 4 \cdot 1 + 0 \cdot 0 + (-1) \cdot 4 = 4 + 0 - 4 = 0

Ich kann Winkel zwischen Vektoren berechnen

Berechne den Winkel zwischen den Vektoren:

a) a ⃗ = ( 1 0 0 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix} , b ⃗ = ( 1 1 0 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}

b) c ⃗ = ( 2 2 1 ) \vec{c} = \begin{pmatrix}2\\2\\1\end{pmatrix} , d ⃗ = ( 1 − 1 2 ) \vec{d} = \begin{pmatrix}1\\-1\\2\end{pmatrix}

Musterlösung

Formel: cos ⁡ ( α ) = u ⃗ ⋅ v ⃗ ∣ u ⃗ ∣ ⋅ ∣ v ⃗ ∣ \cos(\alpha) = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{|\vec{u}| \cdot |\vec{v}|}

a) Für a ⃗ \vec{a} und b ⃗ \vec{b} :

a ⃗ ⋅ b ⃗ = 1 ⋅ 1 + 0 ⋅ 1 + 0 ⋅ 0 = 1 ∣ a ⃗ ∣ = 1 , ∣ b ⃗ ∣ = 1 + 1 = 2 cos ⁡ ( α ) = 1 1 ⋅ 2 = 1 2 = 2 2 \begin{align*} \vec{a} \cdot \vec{b} &= 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 0 \cdot 0 = 1 \\ |\vec{a}| &= 1, \quad |\vec{b}| = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2} \\ \cos(\alpha) &= \frac{1}{1 \cdot \sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} \end{align*}

Daher ist α = 45 ° \alpha = 45° .

b) Für c ⃗ \vec{c} und d ⃗ \vec{d} :

c ⃗ ⋅ d ⃗ = 2 ⋅ 1 + 2 ⋅ ( − 1 ) + 1 ⋅ 2 = 2 − 2 + 2 = 2 ∣ c ⃗ ∣ = 4 + 4 + 1 = 3 , ∣ d ⃗ ∣ = 1 + 1 + 4 = 6 cos ⁡ ( α ) = 2 3 6 = 2 6 18 = 6 9 \begin{align*} \vec{c} \cdot \vec{d} &= 2 \cdot 1 + 2 \cdot (-1) + 1 \cdot 2 = 2 - 2 + 2 = 2 \\ |\vec{c}| &= \sqrt{4 + 4 + 1} = 3, \quad |\vec{d}| = \sqrt{1 + 1 + 4} = \sqrt{6} \\ \cos(\alpha) &= \frac{2}{3\sqrt{6}} = \frac{2\sqrt{6}}{18} = \frac{\sqrt{6}}{9} \end{align*}

Daher ist α ≈ 74,21 ° \alpha \approx 74{,}21° .

Ich kann Geraden in Parameterform aufstellen

Stelle die Geradengleichungen in Parameterform auf:

a) Gerade durch A ( 1 ∣ 2 ∣ 3 ) A(1|2|3) und B ( 4 ∣ 0 ∣ − 1 ) B(4|0|-1)

b) Gerade durch P ( − 1 ∣ 1 ∣ 2 ) P(-1|1|2) mit Richtungsvektor v ⃗ = ( 2 − 3 1 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}2\\-3\\1\end{pmatrix}

Musterlösung

Allgemeine Form: g : x ⃗ = a ⃗ + t ⋅ v ⃗ g: \vec{x} = \vec{a} + t \cdot \vec{v}

a) Richtungsvektor: A B ⃗ = ( 4 0 − 1 ) − ( 1 2 3 ) = ( 3 − 2 − 4 ) \vec{AB} = \begin{pmatrix}4\\0\\-1\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}1\\2\\3\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}3\\-2\\-4\end{pmatrix}

Geradengleichung: g : x ⃗ = ( 1 2 3 ) + t ⋅ ( 3 − 2 − 4 ) g: \vec{x} = \begin{pmatrix}1\\2\\3\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}3\\-2\\-4\end{pmatrix}

b) Geradengleichung: g : x ⃗ = ( − 1 1 2 ) + t ⋅ ( 2 − 3 1 ) g: \vec{x} = \begin{pmatrix}-1\\1\\2\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}2\\-3\\1\end{pmatrix}

Ich kann Punktproben bei Geraden durchführen

Prüfe, ob die Punkte auf den gegebenen Geraden liegen:

a) P ( 7 ∣ 1 ∣ 5 ) P(7|1|5) auf g : x ⃗ = ( 1 3 1 ) + t ⋅ ( 2 − 1 2 ) g: \vec{x} = \begin{pmatrix}1\\3\\1\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}

b) Q ( 0 ∣ 4 ∣ 2 ) Q(0|4|2) auf h : x ⃗ = ( 2 2 0 ) + s ⋅ ( − 1 1 1 ) h: \vec{x} = \begin{pmatrix}2\\2\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}-1\\1\\1\end{pmatrix}

Musterlösung

a) Ansatz: ( 7 1 5 ) = ( 1 3 1 ) + t ⋅ ( 2 − 1 2 ) \begin{pmatrix}7\\1\\5\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1\\3\\1\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}

Komponentenweise:

x : 7 = 1 + 2 t ⇒ t = 3 y : 1 = 3 − t ⇒ t = 2 z : 5 = 1 + 2 t ⇒ t = 2 \begin{align*} x: \quad 7 &= 1 + 2t \quad \Rightarrow \quad t = 3 \\ y: \quad 1 &= 3 - t \quad \Rightarrow \quad t = 2 \\ z: \quad 5 &= 1 + 2t \quad \Rightarrow \quad t = 2 \end{align*}

Widerspruch: t = 3 t = 3 vs. t = 2 t = 2 . Punkt P P liegt nicht auf der Geraden.

b) Ansatz: ( 0 4 2 ) = ( 2 2 0 ) + s ⋅ ( − 1 1 1 ) \begin{pmatrix}0\\4\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2\\2\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}-1\\1\\1\end{pmatrix}

Komponentenweise:

x : 0 = 2 − s ⇒ s = 2 y : 4 = 2 + s ⇒ s = 2 z : 2 = 0 + s ⇒ s = 2 \begin{align*} x: \quad 0 &= 2 - s \quad \Rightarrow \quad s = 2 \\ y: \quad 4 &= 2 + s \quad \Rightarrow \quad s = 2 \\ z: \quad 2 &= 0 + s \quad \Rightarrow \quad s = 2 \end{align*}

Alle Gleichungen ergeben s = 2 s = 2 . Punkt Q Q liegt auf der Geraden.

Ich kann Lagebeziehungen von Geraden bestimmen

Bestimme die Lagebeziehung der Geraden:

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

g 2 : x ⃗ = ( 3 2 0 ) + s ⋅ ( 4 2 − 2 ) g_2: \vec{x} = \begin{pmatrix}3\\2\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}4\\2\\-2\end{pmatrix}

Musterlösung

Richtungsvektoren vergleichen: v 1 ⃗ = ( 2 1 − 1 ) , v 2 ⃗ = ( 4 2 − 2 ) \vec{v_1} = \begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix}, \quad \vec{v_2} = \begin{pmatrix}4\\2\\-2\end{pmatrix}

v 2 ⃗ = 2 ⋅ v 1 ⃗ \vec{v_2} = 2 \cdot \vec{v_1} → Richtungsvektoren sind kollinear.

Die Geraden sind parallel oder identisch.

Prüfung: Liegt ( 1 ∣ 0 ∣ 2 ) (1|0|2) auf g 2 g_2 ? ( 1 0 2 ) = ( 3 2 0 ) + s ⋅ ( 4 2 − 2 ) \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}3\\2\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}4\\2\\-2\end{pmatrix}

x : 1 = 3 + 4 s ⇒ s = − 1 2 y : 0 = 2 + 2 s ⇒ s = − 1 \begin{align*} x: \quad 1 &= 3 + 4s \quad \Rightarrow \quad s = -\frac{1}{2} \\ y: \quad 0 &= 2 + 2s \quad \Rightarrow \quad s = -1 \end{align*}

Widerspruch → Die Geraden sind echt parallel.

Ich kann Schnittwinkel von Geraden berechnen

Berechne den Schnittwinkel der Geraden. Gehe davon aus, dass die Gerade sich schneiden:

g : x ⃗ = ( 0 1 2 ) + t ⋅ ( 1 0 1 ) g: \vec{x} = \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix}

h : x ⃗ = ( 2 1 0 ) + s ⋅ ( 0 1 2 ) h: \vec{x} = \begin{pmatrix}2\\1\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix}

Musterlösung

Formel für Schnittwinkel: 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}|}

Mit v 1 ⃗ = ( 1 0 1 ) \vec{v_1} = \begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix} und v 2 ⃗ = ( 0 1 2 ) \vec{v_2} = \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix} :

v 1 ⃗ ⋅ v 2 ⃗ = 1 ⋅ 0 + 0 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 = 2 ∣ v 1 ⃗ ∣ = 1 + 0 + 1 = 2 ∣ v 2 ⃗ ∣ = 0 + 1 + 4 = 5 cos ⁡ ( α ) = ∣ 2 ∣ 2 ⋅ 5 = 2 10 = 2 10 10 = 10 5 \begin{align*} \vec{v_1} \cdot \vec{v_2} &= 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 2 = 2 \\ |\vec{v_1}| &= \sqrt{1 + 0 + 1} = \sqrt{2} \\ |\vec{v_2}| &= \sqrt{0 + 1 + 4} = \sqrt{5} \\ \cos(\alpha) &= \frac{|2|}{\sqrt{2} \cdot \sqrt{5}} = \frac{2}{\sqrt{10}} = \frac{2\sqrt{10}}{10} = \frac{\sqrt{10}}{5} \end{align*}

Daher ist α ≈ 50,8 ° \alpha \approx 50{,}8° .

Ich kann Ebenen in Parameterform aufstellen

Stelle die Ebenengleichung in Parameterform auf durch die Punkte:

A ( 1 ∣ 0 ∣ 2 ) A(1|0|2) , B ( 3 ∣ 1 ∣ 0 ) B(3|1|0) , C ( 0 ∣ 2 ∣ 1 ) C(0|2|1)

Musterlösung

Stützvektor: O A ⃗ = ( 1 0 2 ) \vec{OA} = \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix}

Spannvektoren:

A B ⃗ = ( 3 1 0 ) − ( 1 0 2 ) = ( 2 1 − 2 ) A C ⃗ = ( 0 2 1 ) − ( 1 0 2 ) = ( − 1 2 − 1 ) \begin{align*} \vec{AB} &= \begin{pmatrix}3\\1\\0\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2\\1\\-2\end{pmatrix} \\ \vec{AC} &= \begin{pmatrix}0\\2\\1\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-1\\2\\-1\end{pmatrix} \end{align*}

Ebenengleichung: E : x ⃗ = ( 1 0 2 ) + r ⋅ ( 2 1 − 2 ) + s ⋅ ( − 1 2 − 1 ) E: \vec{x} = \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix}2\\1\\-2\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-1\end{pmatrix}

Ich kann Punktproben bei Ebenen durchführen

Prüfe, ob der Punkt P ( 2 ∣ 3 ∣ 1 ) P(2|3|1) auf der Ebene liegt:

E : x ⃗ = ( 1 1 2 ) + r ⋅ ( 1 0 1 ) + s ⋅ ( 0 2 − 1 ) E: \vec{x} = \begin{pmatrix}1\\1\\2\end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}0\\2\\-1\end{pmatrix}

Musterlösung

Ansatz: ( 2 3 1 ) = ( 1 1 2 ) + r ⋅ ( 1 0 1 ) + s ⋅ ( 0 2 − 1 ) \begin{pmatrix}2\\3\\1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1\\1\\2\end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}0\\2\\-1\end{pmatrix}

Gleichungssystem:

x : 2 = 1 + r ⇒ r = 1 y : 3 = 1 + 2 s ⇒ s = 1 z : 1 = 2 + r − s = 2 + 1 − 1 = 2 \begin{align*} x: \quad 2 &= 1 + r \quad \Rightarrow \quad r = 1 \\ y: \quad 3 &= 1 + 2s \quad \Rightarrow \quad s = 1 \\ z: \quad 1 &= 2 + r - s = 2 + 1 - 1 = 2 \end{align*}

Widerspruch in der z-Komponente: 1 ≠ 2 1 \neq 2 .

Der Punkt P P liegt nicht auf der Ebene.

Ich kann Ebenen in Koordinatenform umwandeln

Wandle die Ebene in Koordinatenform um:

E : x ⃗ = ( 2 0 1 ) + r ⋅ ( 1 1 0 ) + s ⋅ ( 0 1 2 ) E: \vec{x} = \begin{pmatrix}2\\0\\1\end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix}

Musterlösung

Normalenvektor durch Kreuzprodukt der Spannvektoren:

n ⃗ = ( 1 1 0 ) × ( 0 1 2 ) = ( 1 ⋅ 2 − 0 ⋅ 1 0 ⋅ 0 − 1 ⋅ 2 1 ⋅ 1 − 1 ⋅ 0 ) = ( 2 − 2 1 ) \vec{n} = \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}0\\1\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 \cdot 2 - 0 \cdot 1\\0 \cdot 0 - 1 \cdot 2\\1 \cdot 1 - 1 \cdot 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2\\-2\\1\end{pmatrix}

Koordinatenform: 2 x − 2 y + z = d 2x - 2y + z = d

Bestimmung von d d mit Stützpunkt ( 2 ∣ 0 ∣ 1 ) (2|0|1) : d = 2 ⋅ 2 − 2 ⋅ 0 + 1 ⋅ 1 = 4 + 1 = 5 d = 2 \cdot 2 - 2 \cdot 0 + 1 \cdot 1 = 4 + 1 = 5

Koordinatenform: 2 x − 2 y + z = 5 2x - 2y + z = 5

Ich kann Abstände von Punkten zu Ebenen berechnen

Berechne den Abstand des Punktes P ( 1 ∣ 2 ∣ 3 ) P(1|2|3) zur Ebene E : 2 x + y − 2 z = 6 E: 2x + y - 2z = 6 .

Musterlösung

Formel für Punkt-Ebene-Abstand: d = ∣ a x 0 + b y 0 + c z 0 − d ∣ a 2 + b 2 + c 2 d = \frac{|ax_0 + by_0 + cz_0 - d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}

Mit P ( 1 ∣ 2 ∣ 3 ) P(1|2|3) und E : 2 x + y − 2 z − 6 = 0 E: 2x + y - 2z - 6 = 0 :

d = ∣ 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 + ( − 2 ) ⋅ 3 − 6 ∣ 2 2 + 1 2 + ( − 2 ) 2 d = \frac{|2 \cdot 1 + 1 \cdot 2 + (-2) \cdot 3 - 6|}{\sqrt{2^2 + 1^2 + (-2)^2}}

d = ∣ 2 + 2 − 6 − 6 ∣ 4 + 1 + 4 = ∣ − 8 ∣ 3 = 8 3 d = \frac{|2 + 2 - 6 - 6|}{\sqrt{4 + 1 + 4}} = \frac{|-8|}{3} = \frac{8}{3}

Der Abstand beträgt 8 3 \frac{8}{3} Längeneinheiten.

Ich kann Lagebeziehungen von Geraden und Ebenen bestimmen

Bestimme die Lagebeziehung der Gerade und Ebene:

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

E : x + 2 y − z = 3 E: x + 2y - z = 3

Musterlösung

Normalenvektor der Ebene: n ⃗ = ( 1 2 − 1 ) \vec{n} = \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix} Richtungsvektor der Gerade: v ⃗ = ( 2 1 − 1 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix}

Prüfung auf Parallelität: n ⃗ ⋅ v ⃗ = 1 ⋅ 2 + 2 ⋅ 1 + ( − 1 ) ⋅ ( − 1 ) = 2 + 2 + 1 = 5 ≠ 0 \vec{n} \cdot \vec{v} = 1 \cdot 2 + 2 \cdot 1 + (-1) \cdot (-1) = 2 + 2 + 1 = 5 \neq 0

Da das Skalarprodukt ungleich null ist, sind Gerade und Ebene nicht parallel.

Schnittpunkt bestimmen: Setze Gerade in Ebene ein: ( 1 + 2 t ) + 2 ( 0 + t ) − ( 2 − t ) = 3 (1 + 2t) + 2(0 + t) - (2 - t) = 3

1 + 2 t + 2 t − 2 + t = 3 1 + 2t + 2t - 2 + t = 3 5 t − 1 = 3 5t - 1 = 3 t = 4 5 t = \frac{4}{5}

Schnittpunkt: S = ( 1 0 2 ) + 4 5 ( 2 1 − 1 ) = ( 13 5 4 5 6 5 ) S = \begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} + \frac{4}{5} \begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}\frac{13}{5}\\\frac{4}{5}\\\frac{6}{5}\end{pmatrix}

Die Gerade schneidet die Ebene im Punkt S S .

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