Grundlagen: Punkte, Vektoren und Geraden

Bevor du mit Geraden arbeitest, brauchst du das Handwerkszeug der Vektorrechnung. Der Abstand zwischen zwei Punkten A und B berechnest du mit der 3D-Abstandsformel - genau wie der Satz des Pythagoras, nur in drei Dimensionen.

Geraden im Raum beschreibst du immer mit einer Parametergleichung: $g: \vec{x} = \vec{p} + r\vec{u}$. Der Stützvektor $\vec{p}$ zeigt zu einem beliebigen Punkt auf der Gerade, der Richtungsvektor $\vec{u}$ gibt die Richtung an.

Zwei Geraden können sich auf drei Arten verhalten: Sie schneiden sich (haben einen gemeinsamen Punkt), sind parallel (gleiche Richtung, kein Schnittpunkt) oder sind windschief (kreuzen sich ohne sich zu berühren - das gibt's nur im 3D-Raum!).

Merktipp: Windschief bedeutet: Die Geraden sind weder parallel noch schneiden sie sich - sie "verpassen" sich im Raum.

Lagebeziehungen von Geraden systematisch bestimmen

Du gehst systematisch vor: Zuerst prüfst du, ob die Richtungsvektoren kollinear sind (einer ist ein Vielfaches des anderen). Falls ja, sind die Geraden parallel oder identisch.

Wenn die Richtungsvektoren nicht kollinear sind, können sich die Geraden schneiden oder windschief sein. Du setzt die Parametergleichungen gleich und löst das Gleichungssystem.

Das Skalarprodukt hilft dir bei Winkeln und Orthogonalität. Zwei Vektoren stehen senkrecht aufeinander, wenn ihr Skalarprodukt null ist: $\vec{a} \cdot \vec{b} = a_1b_1 + a_2b_2 + a_3b_3 = 0$.

Den Winkel zwischen Vektoren berechnest du mit $\cos(\alpha) = \frac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}||\vec{b}|}$ - diese Formel brauchst du ständig!

Praxistipp: Arbeite immer schrittweise: Erst Richtungsvektoren prüfen, dann eventuell Gleichungssystem aufstellen.

Ebenen: Von der Parameterform zum Normalenvektor

Ebenen beschreibst du mit drei Punkten oder einem Stützvektor plus zwei Spannvektoren: $E: \vec{x} = \vec{p} + r\vec{u} + s\vec{v}$. Die Spannvektoren dürfen nicht parallel sein, sonst wird's keine Ebene!

Bei den Koordinatenebenen ist es besonders einfach: Die xy-Ebene hat die Gleichung $E_{x12}: \vec{x} = r\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} + s\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}$.

Der Normalenvektor $\vec{n}$ steht senkrecht zur Ebene. Du findest ihn, indem du einen Vektor suchst, der zu beiden Spannvektoren orthogonal ist: $\vec{n} \cdot \vec{u} = 0$ und $\vec{n} \cdot \vec{v} = 0$.

Lagebeziehungen zwischen Gerade und Ebene findest du, indem du die Gerade in die Ebenengleichung einsetzt. Eine Lösung = Schnittpunkt, keine Lösung = parallel, unendlich viele = Gerade liegt in der Ebene.

Merkhilfe: Der Normalenvektor ist wie ein "Pfeil", der aus der Ebene herausragt - immer senkrecht zur Oberfläche.

Ebenen in Koordinatenform und Schnittgeraden

Ebenenscharen entstehen, wenn Parameter in der Ebenengleichung variieren. Ebenen mit parallelen Normalenvektoren sind selbst parallel zueinander.

Für Lagebeziehungen zwischen Gerade und Ebene (in Koordinatenform) setzt du den allgemeinen Geradenpunkt in die Ebenengleichung ein. Das ergibt eine Gleichung für den Parameter t.

Bei zwei Ebenen prüfst du zuerst die Normalenvektoren: Sind sie parallel ($\vec{n_1} = k \cdot \vec{n_2}$), dann sind die Ebenen parallel. Sonst schneiden sie sich in einer Schnittgerade.

Die Schnittgerade findest du, indem du beide Ebenengleichungen als lineares Gleichungssystem behandelst. Eine Variable wird frei wählbar (Parameter), die anderen drückst du durch sie aus.

Rechentrick: Bei Schnittgeraden kannst du oft eine Koordinate als Parameter t wählen - das vereinfacht die Rechnung erheblich.

Abstände: Punkt zu Ebene

Den Abstand zwischen Punkt und Ebene berechnest du mit dem Lotfußpunkt-Verfahren. Du erstellst eine Lotgerade durch den Punkt, die senkrecht zur Ebene verläuft.

Die Lotgerade hat die Form $g: \vec{x} = \vec{r} + t\vec{n}$, wobei $\vec{r}$ der Ortsvektor des Punktes und $\vec{n}$ der Normalenvektor der Ebene ist.

Den Schnittpunkt (Lotfußpunkt) findest du, indem du den allgemeinen Geradenpunkt in die Ebenengleichung einsetzt. Das ergibt den Parameter t.

Der Abstand ist dann einfach der Betrag des Vektors vom ursprünglichen Punkt zum Lotfußpunkt: $d = |\vec{RF}|$.

Wichtig: Der kürzeste Abstand zwischen Punkt und Ebene verläuft immer senkrecht zur Ebene - das ist der Grund für das Lotgerade-Verfahren.

Anwendungen: Schatten und geometrische Situationen

Für Lagebeziehungen mit dem Normalenvektor prüfst du das Skalarprodukt von Richtungsvektor und Normalenvektor. Ist es null, liegt die Gerade in der Ebene oder ist parallel dazu.

Bei Schattenproblemen stellst du eine Gerade durch den Objektpunkt in Richtung der Lichtstrahlen auf. Der Schnittpunkt mit der "Schatten-Ebene" ist dein gesuchter Schattenpunkt.

Das Verfahren ist immer gleich: Geradengleichung aufstellen, entsprechende Koordinate gleich null setzen (bei Bodenebene ist das $x_3 = 0$), Parameter berechnen und Schattenpunkt bestimmen.

Achtung bei der Richtung: Wenn eine Lichtquelle gegeben ist, zeigt der Richtungsvektor von der Quelle zum beleuchteten Objekt!

Praxistipp: Schattenwurf-Aufgaben kommen gerne in Klausuren - das Prinzip ist immer dasselbe, nur die Objekte ändern sich.

Kreuzprodukt: Senkrechte Vektoren und Flächenberechnungen

Das Kreuzprodukt $\vec{a} \times \vec{b}$ erzeugt einen Vektor, der senkrecht zu beiden Ausgangsvektoren steht. Die Formel sieht kompliziert aus, folgt aber einem klaren Muster.

$\vec{a} \times \vec{b} = \begin{pmatrix} a_2b_3 - a_3b_2 \\ a_3b_1 - a_1b_3 \\ a_1b_2 - a_2b_1 \end{pmatrix}$ - lerne die Struktur, nicht auswendig jede Komponente!

Flächeninhalt eines Parallelogramms: $A = |\vec{a} \times \vec{b}|$ - das Kreuzprodukt macht die Sinusberechnung überflüssig.

Für das Volumen eines Spats (3D-Parallelogramm) multiplizierst du die Grundfläche mit der Höhe: $V = |\vec{a} \times \vec{b}| \cdot |\vec{c}|$.

Eselsbrücke: Das Kreuzprodukt ist wie ein "Rechte-Hand-Regel"-Generator - es zeigt immer senkrecht zu beiden Ausgangsvektoren.

Winkel und Abstände: Die wichtigsten Formeln

Schnittwinkel berechnest du je nach Objekttyp unterschiedlich: Bei Geraden mit Cosinus der Richtungsvektoren, bei Ebenen mit Cosinus der Normalenvektoren, bei Gerade-Ebene mit Sinus (Achtung: nicht Cosinus!).

Die Hesse'sche Normalenform gibt dir eine direkte Abstandsformel für Punkt-Ebene: $d = \frac{|(\vec{p} - \vec{a}) \cdot \vec{n}|}{|\vec{n}|}$. Der Normaleneinheitsvektor $\vec{n_0}$ hat die Länge 1.

Für den Abstand windschiefer Geraden brauchst du einen Vektor, der senkrecht zu beiden Richtungsvektoren steht - das Kreuzprodukt macht's möglich!

Die Formel $d = \frac{|(\vec{p} - \vec{q}) \cdot \vec{n}|}{|\vec{n}|}$ mit $\vec{n} = \vec{v_1} \times \vec{v_2}$ löst das Problem elegant.

Formel-Tipp: Präge dir ein: Bei Winkeln zwischen Gerade und Ebene verwendest du Sinus, sonst meist Cosinus - das verwechselt man leicht!