Mittelstufe Standardaufgabe 10 Punkte ~20 Min. Mathematik & Logik

Durchstoßpunkt einer Geraden durch eine Ebene

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Gerade gg und die Ebene EE:

g ⁣:x=(121)+t(213),E ⁣:2x1+x2x3=7g\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}, \quad E\colon 2x_1 + x_2 - x_3 = 7

  • (a) Zeigen Sie, dass die Gerade gg die Ebene EE schneidet (nicht parallel). (2 BE)
  • (b) Berechnen Sie den Durchstoßpunkt DD der Geraden gg durch die Ebene EE. (4 BE)
  • (c) Bestimmen Sie den Schnittwinkel zwischen gg und EE. (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Schnittprüfung (a)

Der Normalenvektor der Ebene ist n=(211)\vec{n} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}, der Richtungsvektor der Geraden ist u=(213)\vec{u} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}.

nu=413=0\vec{n} \cdot \vec{u} = 4 - 1 - 3 = 0

Da das Skalarprodukt 00 ist, steht u\vec{u} senkrecht auf n\vec{n}, die Gerade verläuft also parallel zur Ebene.

Prüfung, ob gg in EE liegt: Einsetzen des Stützvektors (121)(1 \mid 2 \mid -1):

21+12(1)=2+2+1=572 \cdot 1 + 1 \cdot 2 - (-1) = 2 + 2 + 1 = 5 \neq 7

Die Gerade g ist echt parallel zu E (kein Schnittpunkt).\boxed{\text{Die Gerade } g \text{ ist echt parallel zu } E \text{ (kein Schnittpunkt).}}

Angepasste Aufgabe: Wir betrachten stattdessen die Ebene E ⁣:x1+2x2x3=4E'\colon x_1 + 2x_2 - x_3 = 4.

n=(121),nu=223=30\vec{n}' = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix}, \quad \vec{n}' \cdot \vec{u} = 2 - 2 - 3 = -3 \neq 0

nu=30g schneidet E.\boxed{\vec{n}' \cdot \vec{u} = -3 \neq 0 \quad \Rightarrow \quad g \text{ schneidet } E'.}

Schritt 2: Durchstoßpunkt berechnen (b)

Geradengleichung in EE' einsetzen:

(1+2t)+2(2t)(1+3t)=4(1+2t) + 2(2-t) - (-1+3t) = 4

1+2t+42t+13t=41 + 2t + 4 - 2t + 1 - 3t = 4

63t=4t=236 - 3t = 4 \quad \Rightarrow \quad t = \frac{2}{3}

Punkt einsetzen:

D=(121)+23(213)=(1+432231+2)=(73431)D = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix} + \frac{2}{3}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 + \frac{4}{3} \\ 2 - \frac{2}{3} \\ -1 + 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{7}{3} \\ \frac{4}{3} \\ 1 \end{pmatrix}

D ⁣(73  |  43  |  1)\boxed{D\!\left(\tfrac{7}{3} \;\middle|\; \tfrac{4}{3} \;\middle|\; 1\right)}

Schritt 3: Probe (b)

73+2431=73+8333=123=4  \frac{7}{3} + 2 \cdot \frac{4}{3} - 1 = \frac{7}{3} + \frac{8}{3} - \frac{3}{3} = \frac{12}{3} = 4 \; \checkmark

Schritt 4: Schnittwinkel (c)

Der Schnittwinkel φ\varphi zwischen Gerade und Ebene ergibt sich aus:

sin(φ)=nunu\sin(\varphi) = \frac{|\vec{n}' \cdot \vec{u}|}{|\vec{n}'| \cdot |\vec{u}|}

n=1+4+1=6,u=4+1+9=14|\vec{n}'| = \sqrt{1+4+1} = \sqrt{6}, \quad |\vec{u}| = \sqrt{4+1+9} = \sqrt{14}

sin(φ)=3614=384=3221\sin(\varphi) = \frac{|-3|}{\sqrt{6} \cdot \sqrt{14}} = \frac{3}{\sqrt{84}} = \frac{3}{2\sqrt{21}}

φ=arcsin ⁣(3221)arcsin(0,327)19,1°\varphi = \arcsin\!\left(\frac{3}{2\sqrt{21}}\right) \approx \arcsin(0{,}327) \approx 19{,}1°

φ19,1°\boxed{\varphi \approx 19{,}1°}

Ergebnis

FrageAntwort
Lagebeziehung gg und EE'Schnitt (nu0\vec{n}' \cdot \vec{u} \neq 0)
Parameter tt23\frac{2}{3}
Durchstoßpunkt DD(73431)\left(\frac{7}{3} \mid \frac{4}{3} \mid 1\right)
Schnittwinkel19,1°\approx 19{,}1°

Schlagwörter

geradeebenedurchstosspunktschnittwinkel