Mathe1.854Aktualisiert 5. Okt. 20263 Seiten

Analytische Geometrie – Abi‑Lernzettel NRW 2022 (Vektoren, Geraden, Ebenen)

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Wie berechnet man den sichersten Kurs für ein Raumschiff oder den perfekten Schattenwurf in einem 3D-Videospiel? Die analytische Geometrie im dreidimensionalen Raum liefert genau dafür die mathematischen Werkzeuge. Dieses Material führt dich Schritt für Schritt durch Vektoren, Geraden, Ebenen und deren Lagebeziehungen im Raum. Am Ende wirst du Abstände, Schnittpunkte und Spiegelungen im dreidimensionalen Koordinatensystem problemlos berechnen können.
Analytische Geometrie – Seite 1

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Vektoren und Geraden im Raum

Vektoren berechnen

Vektoren beschreiben Verschiebungen im Raum.

  • Verbindungsvektor: Berechnet sich über die Differenz AB⃗=B⃗−A⃗\vec{AB} = \vec{B} - \vec{A}.
  • Länge (Betrag): Wird über die Formel ∣v⃗∣=x12+x22+x32|\vec{v}| = \sqrt{x_1^2 + x_2^2 + x_3^2} bestimmt.
  • Kollinearität: Zwei Vektoren sind kollinear, wenn sie Vielfache voneinander sind (a⃗=k⋅b⃗\vec{a} = k \cdot \vec{b}).

Geradengleichung und Punktprobe

Eine Gerade im Raum wird durch einen Stütz- und einen Richtungsvektor definiert.

  • Parameterform: g:x⃗=p⃗+r⋅u⃗g: \vec{x} = \vec{p} + r \cdot \vec{u} mit dem Stützvektor p⃗\vec{p} und Richtungsvektor u⃗\vec{u}.
  • Punktprobe: Setze den Punkt für x⃗\vec{x} ein. Liefert das LGS ein eindeutiges rr, liegt der Punkt auf der Geraden.

Beispiel: Prüfe, ob A(1∣2∣3)A(1|2|3) auf g:x⃗=(103)+r⋅(020)g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} liegt.

  1. Zeile 2: 2=0+2r⇒r=12 = 0 + 2r \Rightarrow r = 1.
  2. Kontrolle in Zeile 1 und 3 stimmt, der Punkt liegt auf gg.

💡 Tipp: Achte beim Zeichnen darauf, dass ein Schritt auf der x2x_2- oder x3x_3-Achse im Koordinatensystem doppelt so lang ist wie auf der schrägen x1x_1-Achse.

Analytische Geometrie – Seite 2

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Ebenen und Lagebeziehungen

Darstellungsformen von Ebenen

Ebenen lassen sich im Raum auf drei verschiedene Arten beschreiben.

  • Parameterform: E:x⃗=p⃗+r⋅u⃗+s⋅v⃗E: \vec{x} = \vec{p} + r \cdot \vec{u} + s \cdot \vec{v} mit Spannvektoren u⃗\vec{u} and v⃗\vec{v}.
  • Normalenform: (x⃗−p⃗)⋅n⃗=0(\vec{x} - \vec{p}) \cdot \vec{n} = 0, wobei n⃗\vec{n} orthogonal auf der Ebene steht.
  • Koordinatenform: n1x1+n2x2+n3x3=dn_1x_1 + n_2x_2 + n_3x_3 = d nutzt direkt die Einträge des Normalenvektors.

Lagebeziehungen bestimmen

Geraden und Ebenen können zueinander parallel sein, sich schneiden oder ineinander liegen.

  • Gerade-Ebene: Setze die Gerade in die Koordinatenform der Ebene ein und löse nach dem Parameter auf.
  • Ebene-Ebene: Sind die Normalenvektoren kollinear, sind die Ebenen parallel oder identisch; andernfalls bilden sie eine Schnittgerade.

💡 Tipp: Wenn das Skalarprodukt zweier Vektoren null ergibt (a⃗⋅b⃗=0\vec{a} \cdot \vec{b} = 0), stehen sie immer im 90∘90^\circ-Winkel (orthogonal) zueinander.

Analytische Geometrie – Seite 3

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Abstände, Winkel und Spiegelungen

Abstands- und Winkelberechnung

Abstände sind immer die kürzeste Verbindung zwischen Objekten.

  • Schnittwinkel: Berechne den Winkel zwischen zwei Vektoren im GTR über cos⁡−1(∣a⃗⋅b⃗∣∣a⃗∣⋅∣b⃗∣)\cos^{-1}\left(\frac{|\vec{a} \cdot \vec{b}|}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\right).
  • Punkt-Ebene-Abstand: Nutze eine Hilfsgerade mit dem Normalenvektor der Ebene als Richtungsvektor durch den Punkt.

Spiegelungen im Raum

Punkte können an anderen Punkten, Geraden oder Ebenen gespiegelt werden.

  • Spiegelpunkt P′P': Wird über den Gegenvektor zum Symmetriezentrum bestimmt.

Beispiel: Spiegele PP am Punkt QQ.

  1. Berechne den Verbindungsvektor PQ⃗\vec{PQ}.
  2. Der Ortsvektor des gespiegelten Punktes ist OP′⃗=OP⃗+2⋅PQ⃗\vec{OP'} = \vec{OP} + 2 \cdot \vec{PQ}.

💡 Tipp: Berechne den Winkel zwischen einer Ebene und einer Geraden immer mit dem Sinus (sin⁡\sin) statt dem Kosinus, da du mit dem Normalenvektor der Ebene rechnest.

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