Zusammenfassung
Diese Lektion eröffnet die fünfte und letzte Einheit des Kurses, die der analytischen Geometrie des Raumes gewidmet ist. Sie stellt die vier Lektionen vor, aus denen sie besteht, und den Faden, der sie verbindet: Die Vektoren der Ebene, die in Kurs I untersucht wurden, werden zu Tripeln von Zahlen mit einem Skalarprodukt, das Längen und Winkel misst; die Determinante der Ordnung drei aus der vorigen Einheit liefert ein neues Produkt, das Vektorprodukt, und mit ihm das Spatprodukt, das Flächen und Volumina misst; Geraden und Ebenen werden durch lineare Gleichungen beschrieben, und ihre Lagebeziehungen werden mit dem Rang und dem Satz von Kronecker-Capelli (im spanischsprachigen Raum Satz von Rouché-Frobenius genannt) entschieden; und all das wird zusammengeführt, um Abstände und Winkel zwischen Punkten, Geraden und Ebenen zu messen. Sie zeichnet den historischen Hintergrund dieser Ideen nach, von den Koordinaten von Descartes und Fermat, die im 17. Jahrhundert die Ebene kaum verließen, bis zur Vektorrechnung von Gibbs und Heaviside und zur Kristallographie; sie formuliert präzise, anhand zweier Tunnel eines U-Bahn-Netzes, das Problem, aus dem sie entstanden, nämlich zu entscheiden, ob sich zwei Geraden des Raumes schneiden, und zu messen, wie weit sie voneinander entfernt sind, wenn sie es nicht tun; und sie zeigt, wo sie in diesem Kurs, in anderen Kursen der Website und in Wissenschaft und Technik erneut verwendet werden.
Lernziele
- Die Abfolge der Lektionen der Einheit beschreiben und erklären, welches Werkzeug jede beisteuert und welche sie aus der Einheit über die Matrizen und aus der ebenen Geometrie von Kurs I übernimmt.
- Die Koordinaten des Raumes, das Skalarprodukt, das Vektorprodukt und die Vektorrechnung in ihren historischen Zusammenhang einordnen und dabei das Problem nennen, das jede Idee lösen sollte.
- Die Frage, ob sich zwei Geraden des Raumes schneiden, als lineares Gleichungssystem formulieren, sie mit dem Rang der erweiterten Koeffizientenmatrix entscheiden und den kürzesten Abstand zweier windschiefer Geraden berechnen.
- Anwendungen der analytischen Geometrie des Raumes in der Physik, der Computergrafik, der Robotik, der Geodäsie, der Satellitenortung und der Chemie erkennen.
Eingangstest
Bevor man die Einheit durcharbeitet, empfiehlt es sich, den Ausgangspunkt zu messen. Die ersten acht Fragen betreffen, je zwei, die vier Lektionen der Einheit, und die neunte ist ein Modellierungsproblem, das verlangt, eine Situation aus einem Sachzusammenhang mit dem Abstand eines Punktes von einer Geraden aufzustellen; dieselben Fertigkeiten werden am Ende in der Lektion zur Synthese erneut gemessen. Die letzten drei prüfen, was die Einheit aus der Einheit über die Matrizen und aus Kurs I als bekannt voraussetzt. Es gibt keine Benotung: Es geht darum, zu erkennen, was man beherrscht und wo man verweilen sollte.
Miss vor Beginn der Einheit deinen Ausgangspunkt. Es ist eine kurze Selbsteinschätzung: Sie wird nicht benotet, und das Ergebnis wird nur in deinem Browser gespeichert.
Frage 1Berechne den Abstand der Punkte und .
Richtige Antwort:
Die Differenzen der Koordinaten sind , und , und der Abstand ist . Wer erhält, hat die Differenzen addiert, ohne sie zu quadrieren und ohne die Wurzel zu ziehen.Wiederholen: Vektoren im Raum und Skalarprodukt
Frage 2Welchen Winkel bilden die Vektoren und ?
Dieser Wert entsteht, wenn man das Skalarprodukt nur durch eine der Normen dividiert, was ergibt. Der Kosinus des Winkels ist das Skalarprodukt dividiert durch das Produkt der beiden Normen.Das ist der Winkel, dessen Sinus beträgt. Der Quotient aus dem Skalarprodukt und dem Produkt der Normen ist der Kosinus des Winkels, nicht sein Sinus.Das Skalarprodukt ist , und jeder Vektor hat die Norm ; der Kosinus des Winkels ist , was entspricht.Wiederholen: Vektoren im Raum und Skalarprodukt
Frage 3Berechne .
Es fehlt das Minuszeichen des zweiten Terms der Entwicklung der formalen Determinante nach der ersten Zeile: Die zweite Komponente ist . Der Vektor steht nicht senkrecht auf .Das ist das Produkt in umgekehrter Reihenfolge, . Das Vektorprodukt ist antikommutativ: Vertauscht man die Faktoren, so ändert sich das Vorzeichen.Das ist das komponentenweise Produkt, das weder senkrecht auf den Faktoren steht noch eine geometrische Bedeutung hat. Jede Komponente des Vektorprodukts ist eine Determinante der Ordnung zwei.Die Komponenten sind , und ; das Ergebnis steht senkrecht auf beiden Faktoren, wie man mit dem Skalarprodukt nachprüft.Wiederholen: Vektorprodukt und Spatprodukt
Frage 4Berechne das Volumen des Tetraeders mit den Ecken , , und .
Richtige Antwort:
Das Spatprodukt von , und ist die Determinante mit den Zeilen , und , die beträgt; das ist das Volumen des Parallelepipeds, und das des Tetraeders ist ein Sechstel davon, . Wer erhält, hat das Parallelepiped berechnet, und wer erhält, hat die Hälfte genommen, wie beim Flächeninhalt des Dreiecks.Wiederholen: Vektorprodukt und Spatprodukt
Frage 5Wie lautet die Gleichung der Ebene durch , und ?
Hier wurden die Schnittpunkte mit den Achsen als Koeffizienten genommen. Eine Ebene, die die Achsen in , und schneidet, hat die Gleichung ; hier also , was zu äquivalent ist. Der Punkt erfüllt nicht.Der Normalenvektor ist richtig, aber der konstante Term wurde nicht berechnet: Diese Gleichung beschreibt die parallele Ebene durch den Ursprung, und keiner der drei Punkte erfüllt sie.Das ist die Gerade durch und . Eine Ebene braucht zwei nicht parallele Richtungsvektoren oder einen Normalenvektor.Ein Normalenvektor ist , proportional zu ; der konstante Term ergibt sich durch Einsetzen von : . Die drei Punkte erfüllen die Gleichung.Wiederholen: Geraden und Ebenen im Raum
Frage 6Welche Lage haben die Geraden und zueinander?
Das geschieht in der Ebene bei zwei nicht parallelen Geraden. Im Raum liefert das Gleichsetzen der Punkte drei Gleichungen mit zwei Unbekannten, und die dritte, , ist unmöglich.In der Ebene sind zwei Geraden ohne gemeinsame Punkte parallel; im Raum nicht, denn sie können windschief sein. Die Richtungsvektoren und sind nicht proportional.Ihre Richtungsvektoren sind nicht parallel, und das System , , hat keine Lösung; zwei nicht parallele Geraden ohne gemeinsame Punkte sind windschief. Das Spatprodukt von , und beträgt , ist also von null verschieden, was bestätigt, dass sie nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.Wiederholen: Geraden und Ebenen im Raum
Frage 7Berechne den Abstand des Punktes von der Ebene .
Richtige Antwort:
Nach der Formel für den Abstand eines Punktes von einer Ebene ergibt sich . Wer erhält, hat vergessen, durch die Norm des Normalenvektors zu dividieren, und wer erhält, hat den konstanten Term addiert, statt ihn zu subtrahieren.Wiederholen: Abstände, Winkel und Volumina im Raum
Frage 8Welchen Winkel bildet die Gerade mit dem Richtungsvektor mit der Ebene ?
Das ist der Winkel der Geraden mit dem Normalenvektor, nicht mit der Ebene. Der Winkel mit der Ebene ist der, den die Gerade mit ihrer Projektion auf die Ebene bildet, und er ist das Komplement des Winkels mit dem Normalenvektor.Dieser Wert entsteht, wenn man das Skalarprodukt nur durch eine der Normen dividiert, was einen Kosinus von ergibt. Man muss durch das Produkt der beiden Normen dividieren.Die Gerade wäre parallel zur Ebene, wenn ihr Richtungsvektor senkrecht auf dem Normalenvektor stünde; aber das Skalarprodukt von und beträgt , nicht .Der Richtungsvektor und der Normalenvektor bilden einen Winkel mit dem Kosinus , also den Winkel ; der Winkel der Geraden mit der Ebene ist sein Komplement, .Wiederholen: Abstände, Winkel und Volumina im Raum
Frage 9Eine Drohne startet im Punkt eines Parks und steigt geradlinig in Richtung des Vektors , wobei die Abstände in Metern gemessen werden. Im Punkt des Bodens sitzt eine Person. In welchem minimalen Abstand von ihr fliegt die Drohne vorbei, in Metern?
Richtige Antwort:
Die Flugbahn ist die Gerade mit der Norm , und der minimale Abstand ist der Abstand von zu dieser Geraden: . Er wird im Lotfußpunkt erreicht, dem Punkt , weil senkrecht auf steht. Wer erhält, hat die Projektion berechnet, die misst, wie weit die Drohne bis zu diesem Lotfußpunkt vorankommt, und nicht den Abstand; wer erhält, hat den Abstand zum Startpunkt gemessen.Wiederholen: Abstände, Winkel und Volumina im Raum
Frage 10Aus früheren EinheitenBerechne die Determinante der Matrix mit den Zeilen , und .
Richtige Antwort:
Entwicklung nach der ersten Zeile: . Wer erhält, hat das wechselnde Vorzeichen des zweiten Terms der Entwicklung vergessen.Wiederholen: Determinanten: Eigenschaften und cramersche Regel
Frage 11Aus früheren EinheitenEin System aus drei linearen Gleichungen mit zwei Unbekannten hat eine Koeffizientenmatrix vom Rang und eine erweiterte Koeffizientenmatrix vom Rang . Wie viele Lösungen hat es?
Dass der Rang der Koeffizientenmatrix gleich der Anzahl der Unbekannten ist, sichert die Eindeutigkeit nur, wenn das System lösbar ist, und die Lösbarkeit verlangt, dass die erweiterte Koeffizientenmatrix denselben Rang hat.Es gibt unendlich viele Lösungen, wenn das System lösbar ist und der gemeinsame Rang kleiner als die Anzahl der Unbekannten ist. Hier ist das System nicht lösbar, denn die beiden Ränge unterscheiden sich.Nach dem Satz von Kronecker-Capelli ist ein System genau dann lösbar, wenn die beiden Matrizen denselben Rang haben; hier sind die Ränge verschieden, und das System ist unlösbar.Wiederholen: Lineare Gleichungssysteme und das Gauß-Jordan-Verfahren
Frage 12Aus früheren EinheitenFür welchen Wert von sind die Vektoren und der Ebene senkrecht zueinander?
Richtige Antwort:
Zwei vom Nullvektor verschiedene Vektoren sind genau dann senkrecht zueinander, wenn ihr Skalarprodukt null ist: , woraus folgt. Wer erhält, hat ein Vorzeichen vertauscht; wer die Steigungen gleichsetzt, sucht parallele Vektoren, nicht senkrechte.Wiederholen: Vektoren in der Ebene und Parametergleichungen der Geraden
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