Geraden und Ebenen im Raum: Klartext für Nichtmathematiker PDF
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Guido Walz Geraden und Ebenen im Raum Klartext für Nichtmathematiker essentials essentials liefern aktuelles Wissen in konzentrierter Form. Die Essenz dessen, worauf es als „State-of-the-Art“ in der gegenwärtigen Fachdiskussion oder in der Praxis ankommt. essentials informieren schnell, unkompliziert und verständlich • als Einführung in ein aktuelles Thema aus Ihrem Fachgebiet • als Einstieg in ein für Sie noch unbekanntes Themenfeld • als Einblick, um zum Thema mitreden zu können Die Bücher in elektronischer und gedruckter Form bringen das Expertenwissen von Springer-Fachautoren kompakt zur Darstellung. Sie sind besonders für die Nutzung als eBook auf Tablet-PCs, eBook-Readern und Smartphones geeignet. essentials: Wissensbausteine aus den Wirtschafts-, Sozial- und Geisteswissenschaf- ten, aus Technik und Naturwissenschaften sowie aus Medizin, Psychologie und Gesundheitsberufen. Von renommierten Autoren aller Springer-Verlagsmarken. Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13088 Guido Walz Geraden und Ebenen im Raum Klartext für Nichtmathematiker Guido Walz Darmstadt, Deutschland ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic) essentials ISBN 978-3-658-27372-9 ISBN 978-3-658-27373-6 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-27373-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio- grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Was Sie in diesem essential finden können • Grundlagen der Vektorrechnung inklusive des Skalar- und Vektorprodukts • Möglichkeiten der Darstellung von Geraden und Ebenen im Raum • Verfahren zur Berechnung des Durchstoßpunktes einer Geraden durch eine Ebene • Verschiedene Methoden zur Bestimmung der Schnittgeraden zweier Ebenen V Inhaltsverzeichnis 1 Vektoren im Raum .......................................... 1 1.1 Vektoren als geometrische Objekte .......................... 1 1.2 Koordinatendarstellung von Vektoren ........................ 9 1.3 Produkte von Vektoren .................................... 13 2 Darstellung von Geraden und Ebenen .......................... 23 3 Schnitte von Geraden und Ebenen ............................. 33 3.1 Schnitt zweier Geraden ................................... 34 3.2 Schnitt von Gerade und Ebene .............................. 36 3.3 Schnitt zweier Ebenen .................................... 41 Literatur ...................................................... 51 VII Einleitung Ein wichtiges Teilgebiet der elementaren Mathematik, das Anwendungen in Naturwissenschaften und Technik, aber durchaus auch im täglichen Leben hat, ist die sogenannte Analytische Geometrie. Das klingt gefährlicher, als es ist, die For- mulierung soll einfach nur ausdrücken, dass Geometrie hier nicht mit Zirkel und Lineal, sondern „analytisch“, also mithilfe von Koordinaten im Raum, betrieben wird. Damit befasst sich dieser Text. Wir werden aber keine so gefährlichen Dinge wie Paraboloide, Hyperboloide oder sonstige -oloide behandeln, sondern uns wie der Titel schon sagt mit linearen Objekten wie Geraden und Ebenen befassen. Nach einem einführenden Kapitel, in dem ich Ihnen die Grundlagen der Vek- torrechnung näherbringe, werden dann in Kap. 2 verschiedene Arten der Darstel- lung von Geraden und Ebenen im Raum sowie Verfahren zu ihrer Bestimmung vorgestellt; im Wesentlichen handelt es sich dabei um die Parameterform sowie die parameterfreie Form der Darstellung. Ein wichtiges Problem beim Umgang mit geometrischen Objekten im Raum ist die Frage, ob sie sich schneiden, und wenn ja, wie und wo. Der Beantwortung dieser Frage ist das abschließende dritte Kapitel gewidmet. Da sich der Text laut Untertitel ausdrücklich (auch) an Nichtmathematiker (und ebenso natürlich Nichtmathematikerinnen) wendet, ist er bewusst in all- gemein verständlicher Sprache gehalten, um die Leser nicht durch übertriebene Fachsprache abzuschrecken; schließlich soll es sich ebenfalls laut Untertitel um „Klartext“ handeln. Und nun wünsche ich Ihnen viel Spaß (das meine ich ernst!) beim Lesen der folgenden Seiten. IX 1 Vektoren im Raum Zur Darstellung von Geraden und Ebenen benutzt man meist Vektoren, auch ich werde das in diesem Büchlein reichlich tun, und daher erscheint es mir sinnvoll undnotwendig,indiesemeinführendenKapitelzunächsteinmalVektorenundihre wichtigstenEigenschaftenvorzustellen. 1.1 VektorenalsgeometrischeObjekte EinVektorimgeometrischenSinneisteine„gerichteteStrecke“.ImUnterschiedzu einer„gewöhnlichen“Strecke–diemanwiederumalseinendlichesGeradenstück definierenkann–mussmanbeimVektoralsonochdazusagen,inwelcheRichtung erzeigt.DiegenaueDefinitionistwiefolgt: Definition1.1 −→ Gegeben seien zwei Punkte A und E im Raum. Als Vektor a = AE mit Anfangspunkt A und Endpunkt E bezeichnetmandiegerichteteStrecke von Anach E. Soweit,sogut,allerdingswerdenwirbeidiesereinfachanmutendenerstenDefini- tiongleichmitdererstenSchwierigkeitkonfrontiert(diemanallerdingslösenkann, keineSorge),dennesstelltsichbeimArbeitenmitVektorensehrbaldheraus,dass esaufAnfangs-undEndpunktgarnichtsosehrankommt,sondernvielmehrdarauf, wie lang ein Vektor ist und in welche Richtung er zeigt. Dies führt zu folgender Definition: ©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH,einTeilvonSpringerNature2019 1 G.Walz,GeradenundEbenenimRaum,essentials, https://doi.org/10.1007/978-3-658-27373-6_1 2 1 VektorenimRaum Definition1.2 ZweiVektorensindgleich,wennsieinLängeundRichtungübereinstimmen. Um es noch einmal mit anderen Worten zu sagen: Solange Sie einen Vektor nur imRaumherumschiebenunddabeinichtsanseinerLängeoderRichtungändern, betrachtet man ihn immer noch als denselben. Ein Vektor wird also allein durch AngabevonLängeundRichtungeindeutigbestimmt. Ich fürchte, ich habe bereits auf der allerersten Textseite die erste Verwirrung gestiftet;schauenSiesichambestengleichAbb.1.1an:DortsindjeweilszweiVek- torenwieüblichalsPfeiledargestellt.DieVektorenina)habenzwardieselbeLänge undsindparallel,zeigenaberinentgegengesetzteRichtungen,siesinddahernicht gleich;manchmalwerdenderartigangeordneteVektorenalsantiparallelbezeich- net.DiebeidenVektoreninb)zeigeninvölligverschiedeneRichtungen,unddie inc)zeigenzwarindieselbeRichtung,habenaberunterschiedlicheLänge.Inbei- den Fällen sind die Vektoren nicht gleich. Der einzige Fall gleicher Vektoren ist ind)zusehen,denndiesebeidenstimmeninLängeundRichtungüberein. Bevor ich Ihnen zeige, wie man mit Vektoren „grafisch rechnen“ kann, noch einpaarBezeichnungen:DieLängeeinesVektorsbezeichnetmanauchalsseinen Betrag; der Betrag eines Vektors a ist also eine reelle Zahl, man bezeichnet ihn meistmit|a|. Abb.1.1 Vektorenin grafischerDarstellung
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