Zusammenfassung
Diese Lektion überträgt die durch einen Punkt und einen Richtungsvektor gegebene Gerade in den Raum und beschreibt die Ebene in vektorieller und in Parameterform, durch einen Punkt und zwei Richtungsvektoren, sowie in Koordinatenform, durch eine Gleichung , deren Koeffizienten einen Normalenvektor bilden. Das Vektorprodukt verbindet beide Formen, und es wird bewiesen, dass jede Ebene eine Koordinatengleichung besitzt, die bis auf einen Faktor eindeutig ist. Die Lagebeziehungen von Ebenen und Geraden werden in lineare Gleichungssysteme übersetzt und mit dem Satz von Kronecker-Capelli (im spanischsprachigen Raum Satz von Rouché-Frobenius genannt) klassifiziert; das Spatprodukt entscheidet, ob zwei Geraden sich schneiden oder windschief sind. Die Lektion schließt mit dem Ebenenbüschel und mit Aufgaben über Flugrouten, die Neigung eines Geländes und Tetraeder.
Lernziele
- Eine Gerade im Raum in vektorieller Form, in Parameterform und in symmetrischer Form angeben, auch wenn eine Komponente des Richtungsvektors null ist, und beweisen, dass durch zwei verschiedene Punkte genau eine Gerade geht.
- Eine Ebene in vektorieller Form, in Parameterform und in Koordinatenform angeben, mit dem Vektorprodukt von einer Form zur anderen übergehen und die Ebene durch drei nicht kollineare Punkte konstruieren.
- Beweisen, dass jede Ebene eine Koordinatengleichung besitzt, die bis auf einen von null verschiedenen Faktor eindeutig ist, und dass jede lineare Gleichung in , und mit einem von null verschiedenen Koeffizienten eine Ebene beschreibt.
- Die Lagebeziehung von zwei oder drei Ebenen, von einer Geraden und einer Ebene und von zwei Geraden mithilfe der Ränge eines linearen Gleichungssystems und des Spatprodukts bestimmen, auch wenn die Daten von einem Parameter abhängen.
- Mit dem Ebenenbüschel die Ebene konstruieren, die eine Gerade enthält und eine zusätzliche Bedingung erfüllt, und mit Geraden und Ebenen Situationen aus der Flugnavigation, dem Bauwesen und dem Design modellieren.
Die Gerade im Raum
In der Lektion des Kurses Algebra und Geometrie I über Vektoren in der Ebene und Parametergleichungen der Geraden wurde die Gerade der Ebene, die seit der Lektion über die Geradengleichung als Graph einer Gleichung ersten Grades bekannt ist, als beschrieben. Im Raum gibt es keine Steigung, und eine Gleichung ersten Grades in , und beschreibt, wie sich zeigen wird, eine Ebene. Wenn dem so ist, empfiehlt es sich, die Reihenfolge umzukehren: Die vektorielle Beschreibung wird die Definition sein, und aus ihr werden die übrigen Formen hergeleitet.
Die Vektoren des Raumes und ihr Skalarprodukt wurden in der Lektion über Vektoren im Raum und das Skalarprodukt untersucht, das Vektorprodukt und das Spatprodukt in der Lektion über das Vektorprodukt und das Spatprodukt. Wie in der Ebene bedeutet dasselbe wie , und zwei vom Nullvektor verschiedene Vektoren heißen parallel, wenn der eine ein Vielfaches des anderen ist. In den Abbildungen zeigt die -Achse nach rechts, die -Achse nach oben und die -Achse auf den Betrachter zu.
Es seien ein Punkt und ein vom Nullvektor verschiedener Vektor. Die Gerade durch mit dem Richtungsvektor ist die Menge der Punkte , für die es eine reelle Zahl gibt mit ; die Zahl heißt Parameter von .
Der Parameter jedes Punktes ist eindeutig: Ist , so folgt , und da nicht der Nullvektor ist, gilt . Für und liefert die Vektorgleichung, komponentenweise geschrieben, die Parametergleichungen der Geraden:
Ist der Parameter die Zeit, so beschreiben diese Gleichungen eine gleichförmige Bewegung mit der Geschwindigkeit , wie in der Ebene. Ein und dieselbe Gerade lässt viele Ausgangspunkte und viele Richtungsvektoren zu; der folgende Satz zeigt, dass zwei ihrer Punkte sie festlegen.
Durch zwei verschiedene Punkte und geht genau eine Gerade, nämlich die mit der Gleichung . Folglich beschreiben die Gleichungen und genau dann dieselbe Gerade, wenn auf der ersten liegt und parallel zu ist.
In der Abbildung ist und , sodass , und die andere Gerade geht durch mit dem Richtungsvektor .
Beweis
Existenz: Der Vektor ist nicht der Nullvektor, weil , und die Gerade durch mit diesem Richtungsvektor enthält , mit dem Parameter , und , mit dem Parameter .
Eindeutigkeit: Es sei eine beliebige Gerade, , die und enthält, und es seien und deren Parameter. In der Abbildung ist und .
Nach der Chasles-Relation ist . Die Parameter sind verschieden, weil ; also ist parallel zu . In der Abbildung ist .
Jeder Punkt von liegt auf der Geraden : Wir gehen von statt von aus und ersetzen durch seinen Ausdruck mithilfe von . In der Abbildung ist der Punkt von mit dem Parameter der Punkt der Geraden mit dem Parameter .
Umgekehrt ist der Punkt mit dem Parameter auf der Geraden derjenige mit dem Parameter auf : Die beiden Geraden haben dieselben Punkte. Zur zweiten Aussage: Beschreiben die Gleichungen dieselbe Gerade, so liegen und auf ihr, und nach dem dritten Schritt ist ein Vielfaches von ; liegt auf der ersten und ist , so enthält die erste und , und sie ist die Gerade durch diese beiden Punkte.
Daraus folgt, dass zwei verschiedene Geraden höchstens einen gemeinsamen Punkt haben: Hätten sie zwei gemeinsam, so wären beide die einzige Gerade durch diese Punkte. Drei Punkte heißen kollinear, wenn es eine Gerade gibt, die sie enthält. Ist , so ist der Punkt genau dann kollinear mit ihnen, wenn für ein gilt, das heißt genau dann, wenn ein Vielfaches von ist.
Die symmetrische Form
Löst man nach dem Parameter auf und setzt die Ergebnisse gleich, so erhält man Gleichungen ohne Parameter, wobei die Nullkomponenten des Richtungsvektors Vorsicht verlangen.
Es sei die Gerade durch mit dem Richtungsvektor . Sind die drei Komponenten von von null verschieden, so liegt ein Punkt genau dann auf , wenn die untenstehenden Gleichungen gelten. Ist nur null, so lautet die Bedingung und ; sind und null, so lautet sie und . Die Fälle, in denen andere Komponenten verschwinden, erhält man durch Vertauschen der Rollen der Koordinaten.
In der Abbildung ist und , der Vektor, der von nach führt.
Beweis
Sind die drei Komponenten von null verschieden und ist , so lösen wir jede Parametergleichung nach auf: Die drei Quotienten sind gleich .
Sind umgekehrt die drei Quotienten gleich, so nennen wir ihren gemeinsamen Wert; multipliziert man jede Gleichung mit ihrem Nenner, erhält man die Parametergleichungen wieder, und liegt auf .
Ist nur null, so lautet die zweite Gleichung für alle , und man schreibt sie gesondert, weil das Dividieren durch keinen Sinn hat. In der Abbildung liegt die Gerade in der Ebene .
Sind und null, so legen die letzten beiden Gleichungen und fest, und für jedes liefert der Parameter den Punkt: Die Gerade ist die Parallele zur -Achse durch , die in der Abbildung im Hintergrund erscheint.
Probe in der Abbildung: liegt auf der Geraden, mit dem Parameter , und nicht, obwohl er erfüllt.
Jede Gleichung der symmetrischen Form ist eine Gleichung ersten Grades: Die Gerade der Abbildung ist die Lösungsmenge von und . Sobald sich zeigt, dass jede solche Gleichung eine Ebene beschreibt, wird dies besagen, dass die Gerade der Schnitt zweier Ebenen ist, ihre implizite Form.
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