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Höhere Mathematik 1: Analysis und Lineare Algebra - Übungsaufgaben zu Geraden im Raum

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Höhere Mathematik 1: Analysis und Lineare Algebra

Übungsaufgaben zu Geraden im Raum

Für die nachfolgenden Aufgaben soll die Lage der Geraden zueinander bestimmt (parallel, identisch, windschief, sich schneidend) und der Abstand zwischen den Geraden berechnet werden (bei parallelen und windschiefen Geraden).

Die Geraden werden immer in der folgenden Parameterdarstellung angegeben:

$g: \vec{x} = \vec{a} + t_1 \vec{v}$

$h: \vec{x} = \vec{b} + t_2 \vec{w}$

Aufgabe 1: Lagebeziehung von Geraden

Beispiel

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Gegeben seien die beiden Geraden

$g : \vec{x} = \left(\begin{array}{c} 0 \\ 8 \\ -7 \end{array}\right) + t_1 \cdot \left(\begin{array}{c} 1 \\ 2 \\ -2 \end{array}\right) $

$h : \vec{x} = \left(\begin{array}{c} -9 \\ 0 \\ 6 \end{array}\right) + t_2 \cdot \left(\begin{array}{c} 3 \\ 1 \\ -3 \end{array}\right) $

Zunächst wollen wir die Lagebeziehung beider Geraden zueinander bestimmen. Wir prüfen als erstes, ob parallele oder sogar identische Geraden gegeben sind. Ist dies der Fall, so existieren für identische Gerade unendliche viele Schnittpunkte (Geraden liegen aufeinander). Bei parallelen Geraden existiert hingegen kein Schnittpunkt.

Um das heraus zu finden, müssen wir prüfen, ob die beiden Geraden Vielfache voneinander sind. Dazu betrachten wir die Richtungsvektoren der beiden Geraden und berechnen $\lambda$:

$\vec{v} = \lambda \vec{w}$  (alternativ: $\vec{w} = \lambda \vec{v}$).

$\left(\begin{array}{c} 1 \\ 2 \\ -2 \end{array}\right) = \lambda \left(\begin{array}{c} 3 \\ 1 \\ -3 \end{array}\right)$

Wir stellen das lineare Gleichungssystem auf:

(1) $1 = 3\lambda $

(2) $2 = \lambda$

(3) $-2 = -3\lambda$

Jede Zeile nach $\lambda$ auflösen:

(1) $\lambda = \frac{1}{3}$

(2) $\lambda = 2$

(3) $\lambda = \frac{2}{3}$

Nur wenn $\lambda$ überall identisch ist, liegen parallele (und ggf. identische) Geraden vor. Da dies hier nicht der Fall ist, können die Geraden nur windschief sein oder sich schneiden.

Wir müssen also als nächstes prüfen, ob die Geraden einen Schnittpunkt aufweisen oder keinen und damit windschief sind.

Zur Überprüfung müssen wir beiden Geraden gleich setzen und das lineare Gleichungssystem lösen.

$\left(\begin{array}{c} 0 \\ 8 \\ -7 \end{array}\right) + t_1 \cdot \left(\begin{array}{c} 1 \\ 2 \\ -2 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} -9 \\ 0 \\ 6 \end{array}\right) + t_2 \cdot \left(\begin{array}{c} 3 \\ 1 \\ -3 \end{array}\right) $

Aufstellung des linearen Gleichungssystems:

(1) $0 + t_1 = -9 + 3 t_2$

(2) $8 + 2t_1 = 0 + t_2$

(3) $-7 + -2t_1 = 6 - 3 t_2$

Die erste Zeile (1) ist bereits nach $t_1$ aufgelöst:

(1) $t_1 = -9 + 3 t_2$.

Wir können diese also in die zweite Zeile (2) einsetzen um $t_2$ zu bestimmen:

(2) $8 + 2 \cdot (-9 + 3 t_2) = 0 + t_2$

$t_2 = 2$

Einsetzen in die erste Zeile (1) zur Berechnung von $t_1$:

$t_1 = -9 + 3 \cdot 2 = -3$.

Damit die Geraden einen Schnittpunkt haben, muss die letzte Gleichung eine Lösung haben. Dazu werden die Ergebnisse in die letzte Zeile (3) eingesetzt:

(3) $-7 + -2 \cdot (-3) = 6 - 3 \cdot 2$

$-1 = 0$

Diese Aussage ist falsch, damit besitzen die beiden Geraden keinen Schnittpunkt. Die Geraden $g$ und $h$ sind windschief zueinander.

Als nächsten wollen wir den Abstand der beiden windschiefen Geraden zueinander bestimmen. Dazu benötigen wir die folgenden Formel:

$d (g,h) = |(\vec{a} - \vec{b}) \cdot \vec{n}_0|$

Der Normalenvektor $\vec{n}$, welcher senkrecht auf den beiden Richtungsvektoren $\vec{v}$ und $\vec{w}$ steht, kann über das Kreuzprodukt berechnet werden:

$\vec{n} = \vec{v} \times \vec{w}$

$\vec{n} = \left(\begin{array}{c} 1 \\ 2 \\ -2 \end{array}\right) \times \left(\begin{array}{c} 3 \\ 1 \\ -3 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} 2 \cdot (-3) - (-2) \cdot 1 \\ (-2) \cdot 3 - 1 \cdot (-3) \\ 1 \cdot 1 - 2 \cdot 3 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} -4 \\ -3 \\ -5 \end{array}\right)$


Danach wird der Normalenvektor auf die Länge 1 gebracht:

$\vec{n_0} = \frac{\vec{n}}{|\vec{n}|}$


Wir berechnen dazu die Länge des Normalenvektors:

$|\vec{n}| = \sqrt{(-4)^2 + (-3)^2 + (-5)^2} = \sqrt{50}$

 

$\vec{n_0} = \frac{1}{\sqrt{50}} \cdot \left(\begin{array}{c} -4 \\ -3 \\ -5 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} -0,566 \\ -0,424 \\ -0,707 \end{array}\right)$


Der Abstand der beiden windschiefen Geraden kann dann berechnet werden zu:

$d (g,h) = |(\vec{a} - \vec{b}) \cdot \vec{n}_0|$

$(\left(\begin{array}{c} 0 \\ 8 \\ -7 \end{array}\right) - \left(\begin{array}{c} -9 \\ 0 \\ 6 \end{array}\right) ) \cdot \left(\begin{array}{c} -0,566 \\ -0,424 \\ -0,707 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} -5,094 \\ -3,392 \\ 9,191 \end{array}\right)$

Wir benötigen die Länge dieses resultierenden Vektors um die kleinste Strecke (Gemeinlot) zwischen den beiden Geraden zu erhalten:

$d (g,h) = \sqrt{(-5,094)^2 + (-3,392)^2 + 9,191^2} = 11,042$

Die kleinste Strecke zwischen den beiden windschiefen Geraden beträgt 11,042.

Aufgabe 2: Lagebeziehung von Geraden

Beispiel

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Gegeben seien die beiden Geraden

$g : \vec{x} = \left(\begin{array}{c} 3 \\ 7 \\ 3 \end{array}\right) + t_1 \cdot \left(\begin{array}{c} 6 \\ 9 \\ -12 \end{array}\right) $

$h : \vec{x} = \left(\begin{array}{c} 9 \\ 14 \\ 4 \end{array}\right) + t_2 \cdot \left(\begin{array}{c} -8 \\ -12 \\ 16 \end{array}\right) $

Zunächst wollen wir die Lagebeziehung beider Geraden zueinander bestimmen. Wir prüfen als erstes, ob parallele oder sogar identische Geraden gegeben sind. Ist dies der Fall, so existieren für identische Gerade unendliche viele Schnittpunkte (Geraden liegen aufeinander). Bei parallelen Geraden existiert hingegen kein Schnittpunkt.

Um das heraus zu finden, müssen wir prüfen, ob die beiden Geraden Vielfache voneinander sind. Dazu betrachten wir die Richtungsvektoren der beiden Geraden und berechnen $\lambda$:

$\vec{v} = \lambda \vec{w}$  (alternativ: $\vec{w} = \lambda \vec{v}$).

$\left(\begin{array}{c} 6 \\ 9 \\ -12 \end{array}\right)  = \lambda \left(\begin{array}{c} -8 \\ -12 \\ 16 \end{array}\right)$

Aufstellung des linearen Gleichungssystems:

(1) $6 = -8\lambda$

(2) $9 = -12 \lambda$

(3) $-12 = 16 \lambda$

Auflösen nach $\lambda:

(1) $\lambda = -\frac{4}{3}$

(2) $\lambda = -\frac{4}{3}$

(3) $\lambda = -\frac{4}{3}$

Alle Werte für $\lambda$ sind identisch, d.h. die Geraden sind Vielfache voneinander und damit liegen entweder parallele oder identische Gerade vor.

Um zu Überprüfen, ob parallele oder identische Gerade vorliegen, wählen wir den Aufpunkt einer der Geraden und setzen diesen mit der Geradengleichung der anderen Geraden gleich.

Wir wählen hier den Aufpunkt der Geraden $g$ und setzen diesen mit der Geradengleichung $h$ gleich:

$\left(\begin{array}{c} 3 \\ 7 \\ 3 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} 9 \\ 14 \\ 4 \end{array}\right) + t_2 \cdot \left(\begin{array}{c} -8 \\ -12 \\ 16 \end{array}\right)$

Aufstellung des linearen Gleichungssystems:

(1) $3 = 9 -  8t_2$

(2) $7 = 14 - 12t_2$

(3) $3 = 4 + 16t_2$

Auflösen nach $t_2$:

(1) $t_2 = \frac{3}{4}$

(2) $t_2 = \frac{7}{12}$

(3) $t_2 = -\frac{1}{16}$

Da $t_2$ nicht überall gleich ist, liegt der Aufpunkt der Geraden $g$ nicht auf der Geraden $h$. Damit handelt es sich hierbei um parallele Geraden.

Als nächstes wollen wir den Abstand der beiden parallelen Geraden zueinander bestimmen. Der Abstand bei parallelen Gerade ist in jedem Punkt gleich. Wir können diesen berechnen zu:

 $d(g,h) = \frac{|(\vec{a} - \vec{b}) \times \vec{w}|}{|\vec{w}|}$

 

Wir berechnen zunächst die Länge des Richtungsvektors der Geraden $h$:

$|\vec{w}| = \sqrt{(-8)^2 + (-12)^2 + 16^2} = 21,541$

Danach berechnen wir den Zähler (zunächst ohne Länge):

$\vec{a} - \vec{b}) \times \vec{w} = (\left(\begin{array}{c} 3 \\ 7 \\ 3 \end{array}\right) - \left(\begin{array}{c} 9 \\ 14 \\ 4 \end{array}\right)) \times \left(\begin{array}{c} -8 \\ -12 \\ 16 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} 48 \\ 84 \\ -16 \end{array}\right)$

Wir berechnen die Länge des resultierenden Vektors im Zähler:

$|(\vec{a} - \vec{b}) \times \vec{w}| = \sqrt{48^2 + 84^2 + (-16)^2} = 98,061$

Der Abstand zwischen den beiden parallelen Geraden $g$ und $h$ beträgt 9,061.