Formel Geradengleichung
Eine Gearde entsteht immer dann im Koordinatensystem, wenn man zwei Punkte miteinander verbindet. Die Dimension spielt dabei keine Rolle. Sowohl im 2D-Raum als auch im 3D-Raum, sowie in allen anderen Räumen besteht die Gerade immer aus folgenden zwei Komponenten. Zunächst gibt es einen Stützvektor (Dieser ist zugleich ein Ortsvektor). Den Stützvektor könnte man im Prinzip als Startpunkt der Geraden bezeichnen. Dann gibt es als zwiten Teil der Gleichung immer einen Richtungsvektor. Dieser gibt, logischerweise wie der Name schon sagt, die Richtung der Geraden an, indem man diesen mit dem Stützvektor verbindet. Um eine Gerade zu bilden, fängt man also an einem Punkt (Stützvektor) an und geht dann zu einem zweiten Punkt, wobei man dabei eine Richtung einschlägt. Diese Richtung verdeutlich der Richtungsvektor. Nun hat man noch das Problem, dass eine Gerade aber keinen Anfang und kein Ende hat. Nimmt man den Richtungsvektor einfach, hat unsere Gleichung aber einen Betrag und damit eine Länge (die Gleichung ist also eingentlich eine Strecke). Um dieses Problem zu beheben, fügt man vor dem Richtungsvektor noch einen Parameter ein. Damit ist die Länge der Strecke unbestimmt, es handelt sich jetzt also um eine waschechte Gerade.
Im 3D-Raum sieht eine Geradengleichung also folgendermaßen aus:
Herleitung Parameterform
Gerade - Punkt
Lagebeziehungen
Berechnung
Eine Gerade und ein Punkt können lediglich zwei verschiedene Lagebeziehungen zueinander eingehen. Entweder der Punkt liegt auf der Geraden - oder eben nicht. Um die Beziehung zwischen der Geraden und einem Punkt muss man folgende Schritte durchführen. Gegeben sind eine Gerade (in Parameterform) und ein Punkt.
Zunächst setzt man den Punkt mit der Gerade gleich.
Jetzt schreibt man für jede Dimension eine einzelne Gleichung heraus.
Nun muss man für jede Dimension den Parameter ausrechnen.
Als letztes muss man nun die einzelnen Parameter vergleichen. Sind sie gleich, liegt der Punkt auf der Geraden, sind sie unterschiedlich, liegt der Punkt neben der Geraden.
In diesem Fall liegt also der Punkt nicht auf der Geraden.
Gerade - Gerade
Erklärung
Zwei Geraden können mindestens 3 unterschiedliche Lagebeziehungen eingehen. Zunächst können zwei Geraden identisch
sein. Dies ist der Fall, wenn sie genau übereinander liegen, also unendlich viele Schnittpunkte haben. Auf den ersten Blick kann man das jedoch nicht erkennen, denn identische Geraden können mit unterschiedlichen Zahlenwerten in den Vektoren erzeugt werden. Sind zwei Geraden echt parralel
, so zeigen die beiden Richtungsvektoren auch die gleiche Richtung, wie bei identischen Geraden, jedoch haben die beiden Geraden dann keine Schnittpunkte. Sie laufen also immer nebeneinander her. Die dritte Möglichkeit für eine Lagebeziehung zwischen zwei Geraden nennt man schneidend
. Dies erkennt man daran, dass die sich die Geraden in genau einem Punkt treffen. Die Richtungsvektoren dürfen also nicht parallel verlaufen. In dreidimensionalen oder höher dimensionalen Räumen kommt noch eine vierte Möglichkeit hinzu: windschief
. Je nach Ansicht könnte man denken. dass sich windschiefe Geraden schneiden. Das ist jedoch nicht der Fall. 2 solche Geraden verlaufen lediglich aneinander vorbei. Es befindet sich also eine Lücke zwischen den beiden Geraden. Sie treffen sich nicht.
Lagebeziehungen
Berechnung
Gegeben haben wir die beiden Geraden x1 und x2 in Parameterform. Es sind zwei unterschiedliche Rechnungen nötig, um eine endgültige Aussage zur Lagebeziehung treffen zu können.
Zunächst setzt man die beiden Richtungsvektoren der Geraden gleich, um zu prüfen, ob sie dieselbe Richtung aufzeigen. Man prüft also, ob die Richtungsvektoren vielfache sind.
Man schaut sich also für jede Dimension (also x, y und z), die einzelne Gleichung an. Und dann rechnet man die Variable, hier λ
, aus.
Hat man alle Variablen λ ausgerechnet, muss man sie vergleichen. Haben sie alle den gleichen Wert, können die Geraden identisch oder parallel sein. Unterscheiden sich die Werte für λx, λy und λz, können die beiden Ebenen nur windschief oder schneidend zueinander liegen.
In diesem Beispiel hier sind die Werte alle unterschiedlich. Die beiden Geraden können also nur noch windschief oder schneidend liegen.
Um die Anzahl der Schnittpunkte herauszubekommen, muss man die beiden Geraden nun gleichsetzen und die Lösungsmenge bestimmen.
Zunächst kann man die beiden Stützvektoren miteinander verrechnen und die Variablen auf eine Seite ziehen.
Nun kann man mit dem Additionsverfahren die Lösungen für λ1 und λ2 bestimmen. Dazu verwendet man die Gleichungen für zwei beliebige Dimensionen, hier für die erste und zweite Dimension.
In diesem Fall kann man den Wert für λ2 direkt ausrechnen. Er ist 1. Damit kann man λ2 in der ersten Gleichung einsetzen und auch den Wert für λ1 errechnen. Dieser ist 0,5.
Nun kann man endgültig entscheiden, ob die Geraden windschief oder schneiden zueinander liegen, indem man λ1 und λ2 in die dritte Dimensionsgleichung einsetzt. Kommt hier eine falsche Aussage heraus, sind die Geraden windschief, andernfalls liegen sie schneidend. Hier liegen die Geraden windschief.
Da die Geraden windschief liegen, kann man keinen Schnittpunkt berechnen.
Zusammenfassung
Wenn man die Lagebeziehung zweier Geraden berechnen möchte, überprüft man zunächst die Richtungsvektoren auf lineare Abhägigkeit, also ob diese vielfache voneinander sind. Dann berechnet man den oder die Schnittpunkte zwischen den Geraden. Es können folgende Lösungen herauskommen, wobei die windschiefen Geraden nur im 3D und höher vorkommen können:
| Lineare Abhängigikeit | Schnittpunkte | Lagebeziehung |
|---|---|---|
| RV1∥RV2 | unendlich | identisch |
| RV1∥RV2 | 0 | parallel |
| RV1∦RV2 | 1 | schneidend |
| RV1∦RV2 | 0 | windschief |
Gerade - Ebene
Erklärung
Eine Gerade kann eine Ebene im dreidimensionalen Raum schneiden oder parallel bzw. in dieser Ebene enthalten sein. Im 2D-Raum gibt es keine Ebenen, es können also auch keine Lagebeziehungen mit Ebenen hergestellt werden.
Lagebeziehungen
Geradenscharen
Erklärung
Eine Geradenschar ist eine Menge von Geraden, deren Gleichungen identisch sind und alle mindestens einen Parameter enthalten. So können verschiedene Graphen entstehen, die sich entweder alle in einem Punkt, dem Fixpunkt, schneiden oder alle zueinander parallel sind. Bei einer Geradenschar mit 2 Parametern in der Gleichung kann kein graphischer Zusammenhang eindeutig festgelegt werden.Wenn sich
