Mittelstufe Mathematik & Logik 10 Punkte · ~20 Min.

Abstand eines Punktes von einer Ebene

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Ebene E ⁣:2x1−x2+2x3=10E\colon 2x_1 - x_2 + 2x_3 = 10 und die Punkte P(4∣1∣3)P(4 \mid 1 \mid 3) und Q(1∣−1∣0)Q(1 \mid -1 \mid 0).

  • (a) Bestimmen Sie den Normaleneinheitsvektor n⃗0\vec{n}_0 der Ebene EE. (2 BE)
  • (b) Berechnen Sie den Abstand des Punktes PP von der Ebene EE mithilfe der Hesseschen Normalform. (3 BE)
  • (c) Berechnen Sie den Abstand des Punktes QQ von der Ebene EE. Liegen PP und QQ auf derselben Seite der Ebene? (3 BE)
  • (d) Bestimmen Sie den Fußpunkt FF des Lots von PP auf EE. (2 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Normaleneinheitsvektor (a)

n⃗=(2−12),∣n⃗∣=4+1+4=3\vec{n} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}, \quad |\vec{n}| = \sqrt{4+1+4} = 3

n⃗0=n⃗∣n⃗∣=13(2−12)\vec{n}_0 = \frac{\vec{n}}{|\vec{n}|} = \frac{1}{3}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}

n⃗0=13(2−12)\boxed{\vec{n}_0 = \frac{1}{3}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}}

Schritt 2: Abstand von PP (b)

Hessesche Normalform: d=∣n⃗⋅p⃗−d0∣∣n⃗∣d = \frac{|\vec{n} \cdot \vec{p} - d_0|}{|\vec{n}|} mit d0=10d_0 = 10.

n⃗⋅p⃗=2⋅4+(−1)⋅1+2⋅3=8−1+6=13\vec{n} \cdot \vec{p} = 2 \cdot 4 + (-1) \cdot 1 + 2 \cdot 3 = 8 - 1 + 6 = 13

d(P,E)=∣13−10∣3=33=1d(P, E) = \frac{|13 - 10|}{3} = \frac{3}{3} = 1

d(P,E)=1\boxed{d(P, E) = 1}

Schritt 3: Abstand von QQ und Seitenvergleich (c)

n⃗⋅q⃗=2⋅1+(−1)(−1)+2⋅0=2+1+0=3\vec{n} \cdot \vec{q} = 2 \cdot 1 + (-1)(-1) + 2 \cdot 0 = 2 + 1 + 0 = 3

d(Q,E)=∣3−10∣3=73d(Q, E) = \frac{|3 - 10|}{3} = \frac{7}{3}

d(Q,E)=73≈2,33\boxed{d(Q, E) = \frac{7}{3} \approx 2{,}33}

Seitenvergleich: Für PP: n⃗⋅p⃗−10=3>0\vec{n} \cdot \vec{p} - 10 = 3 > 0. Für QQ: n⃗⋅q⃗−10=−7<0\vec{n} \cdot \vec{q} - 10 = -7 < 0.

P und Q liegen auf verschiedenen Seiten der Ebene.\boxed{P \text{ und } Q \text{ liegen auf verschiedenen Seiten der Ebene.}}

Schritt 4: Fußpunkt des Lots (d)

Der Fußpunkt FF ergibt sich, indem man von PP in Richtung −n⃗0-\vec{n}_0 den Abstand d=1d = 1 geht:

Da n⃗⋅p⃗−10=3>0\vec{n} \cdot \vec{p} - 10 = 3 > 0, liegt PP auf der Seite, in die n⃗\vec{n} zeigt. Also:

F=P−d⋅n⃗0=(413)−1⋅13(2−12)=(4−231+133−23)=(1034373)F = P - d \cdot \vec{n}_0 = \begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix} - 1 \cdot \frac{1}{3}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 - \frac{2}{3} \\ 1 + \frac{1}{3} \\ 3 - \frac{2}{3} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{10}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \frac{7}{3} \end{pmatrix}

Probe: 2⋅103−43+2⋅73=20−4+143=303=102 \cdot \frac{10}{3} - \frac{4}{3} + 2 \cdot \frac{7}{3} = \frac{20-4+14}{3} = \frac{30}{3} = 10 ✓

F ⁣(103  |  43  |  73)\boxed{F\!\left(\tfrac{10}{3} \;\middle|\; \tfrac{4}{3} \;\middle|\; \tfrac{7}{3}\right)}

Ergebnis

FrageAntwort
Normaleneinheitsvektor n⃗0\vec{n}_013(2;  −1;  2)⊤\frac{1}{3}(2;\;-1;\;2)^\top
Abstand d(P,E)d(P, E)11
Abstand d(Q,E)d(Q, E)73≈2,33\frac{7}{3} \approx 2{,}33
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Fußpunkt FF(103∣43∣73)\left(\frac{10}{3} \mid \frac{4}{3} \mid \frac{7}{3}\right)