Die Geradengleichung

The equation of a line

Mathematik Klasse 13 17 Aufgaben
GeometrieGeradenAnalytische Geometrie

Eine Gerade im Raum wird durch einen Punkt und eine Richtung festgelegt: g: X = A + λ·u mit Stützvektor A, Richtungsvektor u und Parameter λ. Der Abschnitt zeigt, wie man aus zwei Punkten den Richtungsvektor AB gewinnt, warum es viele gleichwertige Gleichungen derselben Geraden gibt und wie die Punktprobe mit einem einzigen λ für alle drei Zeilen arbeitet. Räumt aus, Stütz- und Richtungsvektor zu vertauschen, den Parameter zu vergessen oder einen Punkt nach dem Schrägbild statt nach der Rechnung zu beurteilen. Bereitet die Lage zweier Geraden und später Abstände und Schnittpunkte mit Ebenen vor.

Stützvektor und Richtung

Eine Drohne startet im Punkt A(1 | 0 | 1) und fliegt in die feste Richtung u = (1; 2; 1). Nach λ Zeiteinheiten ist sie bei

Das ist die Parameterform der Geraden g. Der Ortsvektor von A heißt Stützvektor, u Richtungsvektor, λ ∈ ℝ Parameter. Jedes λ liefert genau einen Punkt: λ = 0 den Start A, λ = 2 den Punkt (3 | 4 | 3), λ = −1 einen Punkt hinter dem Start. Die Gerade reicht in beide Richtungen unendlich weit.

Verändere λ. Wo liegt X für λ = 0, wo für λ = −1?

Gerade durch zwei Punkte

Oft kennt man zwei Punkte, etwa A(1 | 0 | 1) und B(3 | 4 | 3). Der Verbindungsvektor zeigt von A nach B und ist damit ein Richtungsvektor: . Die Reihenfolge ist frei: BA = −AB liefert dieselbe Gerade, nur in der Gegenrichtung durchlaufen.

Die Gleichung einer Geraden ist nicht eindeutig. Als Stützvektor passt jeder Punkt der Geraden, als Richtungsvektor jedes Vielfache ungleich null, auch (1; 2; 1) oder (−1; −2; −1). Alle diese Gleichungen beschreiben dieselbe Gerade.

Verschiebe B. Welche Komponente von AB ändert sich, wenn nur x₃ von B wächst?

Die Punktprobe

Liegt P(4 | 6 | 4) auf g? Man setzt (4; 6; 4) = (1; 0; 1) + λ·(1; 2; 1) an und erhält drei Gleichungen: 4 = 1 + λ, 6 = 2λ, 4 = 1 + λ. Jede liefert λ = 3, also liegt P auf g. Bei Q(3 | 4 | 2) verlangt die erste Zeile λ = 2, die dritte λ = 1: kein gemeinsames λ, Q liegt nicht auf g.

Das Schrägbild kann täuschen: Ein Punkt scheint auf der Geraden zu liegen und schwebt doch davor oder dahinter. Es entscheidet die Rechnung.

Dreidimensionales Koordinatensystem (x₁ zum Betrachter, x₂ nach rechts, x₃ nach oben): λ = 0(1|0|1), λ = 1(2|2|2), λ = 2(3|4|3), P (λ = 3)(4|6|4), Gerade durch (1|0|1) und (4|6|4) x₁ 1 2 3 x₂ 1 2 3 4 5 6 x₃ 1 2 3 4 g λ = 0 λ = 1 λ = 2 P (λ = 3)
Auf g gehört zu jedem λ genau ein Punkt: λ = 0 ist A, λ = 3 ist P(4 | 6 | 4).
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche Gleichung beschreibt die Gerade durch A(2 | 1 | 3) mit dem Richtungsvektor u = (1; 0; −2)?

  • ● X = (2; 1; 3) + λ·(1; 0; −2)
  • ○ X = (1; 0; −2) + λ·(2; 1; 3)
  • ○ X = (2; 1; 3) + (1; 0; −2)
Der Punkt A ist der Stützvektor, u der Richtungsvektor mit dem Parameter λ. Die zweite Gleichung vertauscht die Rollen, die dritte hat keinen Parameter und beschreibt nur den einzelnen Punkt (3 | 1 | 1).
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Welcher Punkt liegt auf g: X = (1; 0; 2) + λ·(2; 1; −1) für λ = 3?

  • ● P(7 | 3 | −1)
  • ○ P(6 | 3 | −3)
  • ○ P(7 | 3 | 5)
Man setzt λ = 3 ein: (1 + 6; 0 + 3; 2 − 3) = (7; 3; −1). P(6 | 3 | −3) vergisst den Stützvektor, bei P(7 | 3 | 5) ist das Vorzeichen der dritten Komponente falsch.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Die Gerade g hat den Stützvektor A(1 | 0 | 1) und den Richtungsvektor u = (1; 2; 1). Für welches λ liefert g den eingezeichneten Punkt Q(3 | 4 | 3)?

  • ● λ = 2
  • ○ λ = 3
  • ○ λ = 4
Aus 3 = 1 + λ folgt λ = 2; die zweite Zeile 4 = 2λ und die dritte 3 = 1 + λ bestätigen das. λ = 3 und λ = 4 sind nur Koordinaten von Q (die erste und dritte beziehungsweise die zweite), nicht der Parameter.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Für λ = −1 liefert g: X = (1; 1; 1) + λ·(1; 0; 2) den Punkt (0 | 1 | −1).

✓ Wahr
(1 − 1; 1 + 0; 1 − 2) = (0; 1; −1). Auch negative λ gehören zur Geraden: Sie liegen auf der anderen Seite von A.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Welche Gleichung beschreibt die Gerade durch A(1 | 2 | 0) und B(4 | 0 | 2)?

  • ● X = (1; 2; 0) + λ·(3; −2; 2)
  • ○ X = (1; 2; 0) + λ·(5; 2; 2)
  • ○ X = (3; −2; 2) + λ·(1; 2; 0)
Der Richtungsvektor ist AB = B − A = (3; −2; 2). (5; 2; 2) entsteht durch Addieren der Koordinaten von A und B, in der dritten Gleichung sind Stütz- und Richtungsvektor vertauscht.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Die Geraden g: X = (0; 0; 0) + λ·(1; 2; 3) und h: X = (2; 4; 6) + μ·(3; 6; 9) sind dieselbe Gerade.

✓ Wahr
Der Punkt (2 | 4 | 6) liegt auf g (λ = 2), und (3; 6; 9) = 3 · (1; 2; 3) ist ein Vielfaches des Richtungsvektors. Stützpunkt und Länge des Richtungsvektors sind frei wählbar.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Die Gerade g im Bild geht durch A und B. Welchen Richtungsvektor hat sie?

  • ● (2; 4; 2)
  • ○ (4; 4; 4)
  • ○ (3; 4; 3)
AB = B − A = (3 − 1; 4 − 0; 3 − 1) = (2; 4; 2). (4; 4; 4) ist die Summe der Koordinaten, (3; 4; 3) der Ortsvektor von B: beides zeigt nicht von A nach B.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Welcher der Punkte liegt auf g: X = (1; 0; 1) + λ·(1; 2; 1)?

  • ● P(4 | 6 | 4)
  • ○ Q(3 | 4 | 2)
  • ○ R(2 | 4 | 2)
P: 4 = 1 + λ, 6 = 2λ, 4 = 1 + λ ergeben in allen Zeilen λ = 3. Bei Q verlangen die erste und zweite Zeile λ = 2, die dritte aber λ = 1; bei R verlangen die erste und dritte λ = 1, die zweite aber λ = 2.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Der Punkt P(1 | 3 | 9) liegt auf g: X = (0; 1; 3) + λ·(1; 2; 3).

✓ Falsch
1 = λ und 3 = 1 + 2λ liefern beide λ = 1, die dritte Zeile 9 = 3 + 3λ aber λ = 2. Zwei passende Zeilen genügen nicht: ein λ muss in allen drei stimmen.
Wahr / Falsch #10 15s ▶ Testen

Im Bild scheint R(5 | 5 | 4) auf g: X = (1; 0; 1) + λ·(1; 2; 1) zu liegen. R liegt tatsächlich auf g.

✓ Falsch
Aus 5 = 1 + λ folgt λ = 4, dann wäre x₂ = 8 statt 5: R liegt nicht auf g. Das Schrägbild täuscht: R liegt auf derselben Sichtlinie wie der Punkt (3 | 4 | 3) von g, nur weiter vorn und höher.
Mittel
Zahleneingabe #1 20s ▶ Testen

Für g: X = (2; 4; −1) + λ·(3; −2; 5) und λ = 2: Welche x₃-Koordinate hat der Punkt?

✓ Antwort: 9
x₃ = −1 + 2 · 5 = 9.
Zahleneingabe #2 20s ▶ Testen

Die Gerade geht durch A(2 | −1 | 4) und B(5 | 3 | 1). Welche dritte Komponente hat der Richtungsvektor AB?

✓ Antwort: -3
AB₃ = 1 − 4 = −3 (Spitze minus Fuß).
Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Der Punkt P(8 | 3 | −2) liegt auf g: X = (2; 1; 0) + λ·(3; 1; −1). Bestimme λ.

✓ Antwort: 2
Erste Zeile: 8 = 2 + 3λ, also λ = 2. Probe: 3 = 1 + 2 und −2 = 0 − 2.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Eine Drohne fliegt auf g: X = (1; 0; 2) + λ·(2; 1; −1) (λ in Minuten, Längeneinheit 10 m). Bei welchem λ landet sie, also x₃ = 0?

✓ Antwort: 2
Die dritte Zeile 2 − λ = 0 liefert λ = 2. Landepunkt: (1 + 4 | 0 + 2 | 0) = (5 | 2 | 0).
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Die Gerade g geht durch A(0 | 1 | 2) und B(2 | 5 | −2): g: X = A + λ·AB. Welche x₂-Koordinate hat der Punkt von g mit λ = 0,5?

✓ Antwort: 3
AB = (2; 4; −4), der Punkt für λ = 0,5 ist A + 0,5 · AB = (1 | 3 | 0), der Mittelpunkt von AB. x₂ = 1 + 0,5 · 4 = 3.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Der Punkt P(5 | 4 | c) liegt auf g: X = (1; 0; 2) + λ·(2; 2; 1). Bestimme c.

✓ Antwort: 4
5 = 1 + 2λ gibt λ = 2, die zweite Zeile 4 = 2λ bestätigt es. Damit c = 2 + 1 · 2 = 4.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Eine Drohne fliegt von A(1 | 0 | 1) nach B(3 | 4 | 3) und danach geradeaus weiter. Stelle eine Gleichung der Flugbahn g auf und prüfe rechnerisch, ob die Punkte C(5 | 8 | 5) und D(5 | 8 | 4) auf g liegen. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: AB = (3 − 1; 4 − 0; 3 − 1) = (2; 4; 2), also g: X = (1; 0; 1) + λ·(2; 4; 2). C: 5 = 1 + 2λ, 8 = 4λ, 5 = 1 + 2λ ergeben überall λ = 2, also liegt C auf g. D: 5 = 1 + 2λ und 8 = 4λ ergeben λ = 2, aber 4 = 1 + 2λ ergibt λ = 1,5: Widerspruch, D liegt nicht auf g.
Richtungsvektor = Verbindungsvektor AB; bei der Punktprobe muss dasselbe λ in allen drei Zeilen passen.