Zusammenfassung
Diese Lektion überträgt die Vektoren, die die Lektion über Vektoren in der Ebene mit zwei Koordinaten untersucht hat, in den dreidimensionalen Raum. Sie legt ein System aus drei zueinander senkrechten Achsen mit positiver Orientierung fest, nennt die Tatsachen der euklidischen Geometrie des Raumes, die vorausgesetzt werden, und gewinnt durch zweimalige Anwendung des Satzes des Pythagoras den Abstand zweier Punkte. Sie definiert Vektoren als Tripel reeller Zahlen, mit ihrer Summe, ihrem Vielfachen, der Standardbasis und der Eindeutigkeit der Koordinaten; sie definiert die Norm und das Skalarprodukt, beweist deren Eigenschaften, die Cauchy-Schwarz-Ungleichung über die Diskriminante und die Dreiecksungleichung, und definiert mit ihnen den Winkel zwischen zwei Vektoren, der mit dem der elementaren Geometrie übereinstimmt. Danach untersucht sie die Orthogonalität, die Orthogonalprojektion, die Richtungskosinus und die Schreibweise des Skalarprodukts als Produkt einer Zeile mit einer Spalte, aus der folgt, dass Matrizen, deren Spalten zueinander senkrechte Einheitsvektoren sind, Längen und Winkel erhalten. Die Anwendungen sind die Arbeit einer Kraft, der Kosinussatz im Raum und der Winkel des Methanmoleküls; die Aufgaben behandeln die Diagonalen des Würfels und des Parallelepipeds, die Vektoren, die auf zwei gegebenen senkrecht stehen, die Zugkräfte in drei Seilen und die Tetraeder mit zueinander senkrechten Gegenkanten.
Lernziele
- Punkte in einem kartesischen Koordinatensystem des Raumes einzeichnen, ihren Oktanten erkennen und Abstände berechnen, wobei die Formel mit dem Satz des Pythagoras begründet wird.
- Mit Vektoren des Raumes rechnen, sie in der Standardbasis darstellen und mit ihnen Eigenschaften von Parallelogrammen, Parallelepipeden und Tetraedern beweisen.
- Normen, Skalarprodukte, Winkel, Orthogonalprojektionen und Richtungskosinus berechnen und die Cauchy-Schwarz-Ungleichung und die Dreiecksungleichung im Raum beweisen.
- Das Skalarprodukt als Produkt von Matrizen schreiben und damit entscheiden, ob eine Matrix Längen und Winkel erhält.
- Mit dem Skalarprodukt die Arbeit einer Kraft, das Gleichgewicht von Kräften mit gemeinsamem Angriffspunkt und die Winkel eines Moleküls modellieren.
Das Koordinatensystem des Raumes
In der Lektion des Kurses Algebra und Geometrie I über Vektoren in der Ebene wurde jeder Punkt der Ebene mit einem Zahlenpaar und jede Verschiebung mit einem anderen Paar identifiziert, und die Geometrie der Geraden, Winkel und Abstände wurde in Rechnungen mit diesen Paaren übersetzt. Die physikalische Welt hat jedoch drei Dimensionen: Die Position eines Flugzeugs, die eines Atoms in einem Molekül oder die einer von der Decke hängenden Lampe verlangt drei Zahlen. Wenn dem so ist, empfiehlt es sich, die Konstruktion mit Tripeln zu wiederholen. Das meiste, was in der Ebene bewiesen wurde, überträgt sich unverändert, weil die Beweise komponentenweise vorgingen oder nur die algebraischen Eigenschaften des Skalarprodukts benutzten; in diesen Fällen verweist diese Lektion auf die über die Ebene. Sorgfalt verlangt die Geometrie: Im Raum steht keine ebene Figur zur Verfügung, die alles enthält, und der Winkel zwischen zwei Vektoren etwa muss definiert werden, bevor man ihn berechnet.
Die vorausgesetzten Tatsachen der euklidischen Geometrie des Raumes
Die analytische Geometrie des Raumes übersetzt die Geometrie der Körper, die Euklid in den Büchern XI bis XIII der Elemente dargelegt hat. Ihr axiomatischer Aufbau übersteigt diesen Kurs, wie schon der der Ebene in der Lektion über die Geradengleichung, wo die vorausgesetzten Tatsachen der ebenen Geometrie in einer Liste zusammengestellt wurden. Ebenso werden die Tatsachen über den Raum, die diese Einheit benutzt, ohne Beweis vorausgesetzt und in der folgenden Liste zusammengestellt; jedes Mal, wenn eine Lektion der Einheit eine von ihnen benutzt, verweist sie auf diese Liste.
- Ebenen. Durch drei nicht kollineare Punkte geht genau eine Ebene, und wenn zwei Punkte einer Geraden in einer Ebene liegen, liegt die ganze Gerade in ihr. In jeder Ebene des Raumes gelten die Tatsachen der ebenen Geometrie, die in der Lektion über die Geradengleichung vorausgesetzt wurden; insbesondere der Satz des Pythagoras und seine Umkehrung sowie die Freiheit, in ihr ein Achsensystem zu wählen.
- Zueinander senkrechte Geraden und Ebenen. Durch jeden Punkt geht genau eine Ebene, die zu einer gegebenen Geraden senkrecht ist, und diese Ebene schneidet die Gerade in genau einem Punkt. Eine zu einer Ebene senkrechte Gerade ist senkrecht zu allen Geraden der Ebene, die durch den Punkt gehen, in dem sie die Ebene schneidet.
- Achsen. Drei Geraden, die durch einen Punkt gehen und paarweise zueinander senkrecht sind, mit einer positiven Orientierung auf jeder von ihnen und demselben Längenmaßstab, bilden ein Achsensystem. Abstände, Winkel und Figuren hängen nicht von dieser Wahl ab.
- Koordinaten. Ist ein Achsensystem festgelegt, so schneiden die durch einen Punkt gelegten, zu den drei Achsen senkrechten Ebenen diese in den Punkten mit den Abszissen , und , und umgekehrt schneiden sich diese drei Ebenen zu jedem Zahlentripel in genau einem Punkt. Die Punkte, deren dritte Koordinate gleich ist, bilden eine zur -Achse senkrechte Ebene, in der die beiden ersten Koordinaten kartesische Koordinaten der Ebene mit demselben Maßstab sind; die Punkte mit festen ersten Koordinaten bilden eine zur -Achse parallele, zu jener Ebene senkrechte Gerade, auf der die dritte Koordinate die Lage mit demselben Maßstab misst. Dasselbe gilt mit vertauschten Achsen.
Die vierte Tatsache ist eine Folgerung aus den drei ersten, die die Geometrie der Körper mit den Eigenschaften paralleler Geraden und paralleler Ebenen beweist; sie wird gesondert formuliert, weil sie in dieser Form benutzt wird.
Ein kartesisches Koordinatensystem des Raumes ist ein Achsensystem, dessen Achsen -Achse, -Achse und -Achse heißen und sich im Ursprung schneiden. Jeder Punkt wird mit dem Tripel seiner Koordinaten identifiziert, , die Abszisse, Ordinate und Applikate heißen. Die drei Koordinatenebenen sind die -Ebene mit der Gleichung , die -Ebene mit der Gleichung und die -Ebene mit der Gleichung .
Die Koordinatenebenen zerlegen den Raum nach dem Vorzeichen jeder Koordinate in acht Gebiete, die Oktanten; der erste Oktant ist der der Punkte mit drei positiven Koordinaten, und die übrigen werden nach dem Tripel ihrer Vorzeichen benannt, zum Beispiel der Oktant . In der Ebene lassen sich zwei zueinander senkrechte Achsen auf zwei wesentlich verschiedene Arten anordnen: Die zweite Achse entsteht aus der ersten durch eine Vierteldrehung gegen den Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn. Im Raum geschieht dasselbe mit den drei Achsen, und die Unterscheidung hat einen Namen.
Ein Koordinatensystem des Raumes hat positive Orientierung, wenn, von der positiven Seite der -Achse aus gesehen, die Vierteldrehung, die die positive -Halbachse in die positive -Halbachse überführt, gegen den Uhrzeigersinn erscheint. Gleichwertig gilt die Rechte-Hand-Regel: Krümmt man die Finger der rechten Hand von der positiven -Halbachse zur positiven -Halbachse, so zeigt der Daumen auf die positive -Halbachse.
Kehrt man die Orientierung einer der Achsen um, so ändert sich die Orientierung des Systems; kehrt man zwei um, so bleibt sie erhalten. Vertauscht man die Achsen zyklisch, von , , zu , , , so ändert sich die Orientierung ebenfalls nicht, sodass in einem positiven System, von der positiven -Halbachse aus gesehen, auch die Drehung von nach gegen den Uhrzeigersinn verläuft. Im Folgenden haben alle Systeme positive Orientierung. Die Figuren zeichnen sie in Kavalierperspektive: die -Achse nach rechts, die -Achse nach oben und die -Achse zum Betrachter hin, schräg gezeichnet und mit auf die Hälfte verkürzten Längen. Die Orientierung spielt in dieser Lektion keine Rolle; wesentlich wird sie in der nächsten, über das Vektorprodukt und das Spatprodukt.
Den Punkt entlang den Achsen einzeichnen, seinen Oktanten angeben und den Punkt einzeichnen.
Beweis
Wir zeichnen die drei Achsen mit positiver Orientierung: Von oben gesehen verläuft die Vierteldrehung von der positiven -Halbachse zur positiven -Halbachse gegen den Uhrzeigersinn.
Wir gehen eine Strecke der Länge auf der -Achse.
Von aus gehen wir eine Strecke der Länge in Richtung der -Achse, ohne die -Ebene zu verlassen.
Von aus steigen wir eine Strecke der Länge in Richtung der -Achse. Die drei Koordinaten sind positiv: liegt im ersten Oktanten und ist die gegenüberliegende Ecke des Quaders mit den Kanten , und .
Steigt man von aus eine Strecke der Länge hinab, so gelangt man zu , im Oktanten . Die -Ebene schneidet die Strecke senkrecht in ihrem Mittelpunkt : ist der Spiegelpunkt von an dieser Ebene.
Der Abstand zweier Punkte
In der Ebene ergab sich der Abstand zweier Punkte durch einmalige Anwendung des Satzes des Pythagoras auf ein Dreieck mit achsenparallelen Katheten. Im Raum muss man ihn zweimal anwenden: zuerst in einer waagerechten und dann in einer vertikalen Ebene.
Der Abstand der Punkte und ist durch die folgende Formel gegeben.
Man führt einen Hilfspunkt ein, auf der Höhe von und vertikal über oder unter . Die Abbildung verwendet und .
Beweis
Sei der Punkt mit den beiden ersten Koordinaten von und der Applikate von . Die Punkte und liegen in der Ebene mit der Applikate , und und auf der zur -Achse parallelen Geraden aus den Punkten mit den ersten Koordinaten und .
Nach der Tatsache über die Koordinaten sind in der Ebene mit der Applikate die beiden ersten Koordinaten kartesisch, und die Abstandsformel der Ebene aus der Lektion über die Geradengleichung liefert die Länge von . In der Abbildung .
Auf der vertikalen Geraden, die und enthält, misst die Applikate die Lage: Die Länge von ist der Betrag der Differenz der Applikaten. In der Abbildung .
Die Gerade ist senkrecht zur Ebene mit der Applikate und, nach der zweiten vorausgesetzten Tatsache, zur Geraden , die in dieser Ebene liegt und durch geht. Das Dreieck ist rechtwinklig mit dem rechten Winkel bei , und nach der ersten Tatsache gilt der Satz des Pythagoras in der Ebene, die es enthält.
Wir setzen ein und ziehen die Quadratwurzel. Ist oder , so gibt es kein Dreieck, aber die Formel reduziert sich auf die eines einzigen der beiden Abstände und bleibt richtig. In der Abbildung ist der Abstand .
Insbesondere ist der Abstand von zum Ursprung , die Länge der Diagonale des Quaders mit den Kanten , und . Zum Beispiel misst die Diagonale eines Würfels mit der Kante genau .
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