Kreisgleichung und Kugelgleichung

Circle and Sphere Equations

Mathematik Klasse 12 21 Aufgaben
Analytische GeometrieKreiseKugelnTangensSekansKerncurriculum

Kreis und Kugel sind eine Abstandsbedingung: (x−a)² + (y−b)² = r² ist der Satz des Pythagoras für alle Punkte mit Abstand r vom Mittelpunkt (a|b) — dieselbe Idee trägt die Kugelgleichung im Raum. Aus der Gleichung lassen sich Mittelpunkt und Radius direkt ablesen, aus einer gemischten Form durch quadratische Ergänzung gewinnen. Die Lage von Kreis und Gerade entscheidet die Zahl der Lösungen beim Einsetzen: zwei Schnittpunkte (Sekante), einer (Tangente), keiner (Passante). Verbindet die analytische Geometrie mit dem Tangentenbegriff der Analysis.

Leicht
Lückentext #1 10s ▶ Testen

Die Gleichung des Kreises mit Mittelpunkt M(a; b) und Radius r lautet: (x − a)² + (y − b)² = ___.

✓ Antwort: r²
Die Kreisgleichung in Standardform: (x − a)² + (y − b)² = r².
Zahleneingabe #2 10s ▶ Testen

Bestimme den Radius des Kreises x² + y² = 25.

✓ Antwort: 5
r² = 25, also r = √25 = 5.
Multiple Choice #3 15s ▶ Testen

Welche Punktmenge beschreibt (x + 3)² + (y − 5)² = 25?

  • ● Kreis mit M(−3; 5) und r = 5
  • ○ Kreis mit M(3; −5) und r = 5
  • ○ Kreis mit M(−3; 5) und r = 25
  • ○ Kreis mit M(3; 5) und r = 5
(x − (−3))² + (y − 5)² = 5². Also M(−3; 5) und r = 5.
Lückentext #4 10s ▶ Testen

Die Gleichung der Kugel mit Mittelpunkt M(a; b; c) und Radius r im Raum lautet: (x−a)² + (y−b)² + (z−c)² = ___.

✓ Antwort: r²
Analog zur Kreisgleichung: (x−a)² + (y−b)² + (z−c)² = r².
Multiple Choice #5 15s ▶ Testen

Ein Kreis k(M, r) und eine Gerade g können folgende Lagebeziehungen haben:

  • ● Sekante (2 Schnittpunkte), Tangente (1 Berührpunkt), Passante (kein Schnittpunkt)
  • ○ Nur Sekante oder Passante
  • ○ Nur Tangente oder Sekante
  • ○ Sekante, Tangente, Passante, Windschief
In der Ebene gibt es genau drei Möglichkeiten: Sekante, Tangente, Passante.
Wahr / Falsch #6 10s ▶ Testen

Die Tangente an einen Kreis im Berührpunkt steht senkrecht auf dem Radius.

✓ Wahr
Richtig. In jedem Berührpunkt ist die Tangente orthogonal zum Radius (zum Verbindungsvektor Mittelpunkt-Berührpunkt).
Zahleneingabe #7 15s ▶ Testen

Ein Kreis hat den Mittelpunkt M(2; 3) und geht durch P(5; 7). Berechne den Radius.

✓ Antwort: 5
r = |MP| = √((5−2)² + (7−3)²) = √(9 + 16) = √25 = 5.
Lückentext #8 15s ▶ Testen

Schneidet man die Kugel x²+y²+z² = r² mit der xy-Ebene (z = 0), erhält man den ___.

✓ Antwort: Kreis x² + y² = r²
z = 0 einsetzen: x² + y² + 0 = r². Das ist die Kreisgleichung in der xy-Ebene.
Wahr / Falsch #9 10s ▶ Testen

Von einem äußeren Punkt P kann man genau zwei Tangenten an einen Kreis legen.

✓ Wahr
Richtig. Von jedem Punkt außerhalb des Kreises gehen genau zwei Tangenten aus.
Multiple Choice #10 15s ▶ Testen

Welche Gleichung beschreibt die Kugel mit Mittelpunkt M(0; 10; 0) und Radius 60?

  • ● x² + (y−10)² + z² = 3600
  • ○ x² + (y+10)² + z² = 3600
  • ○ x² + (y−10)² + z² = 60
  • ○ (x−10)² + y² + z² = 3600
(x−0)² + (y−10)² + (z−0)² = 60² = 3600.
Zahleneingabe #11 20s ▶ Testen

Der Kreis x² + y² − 6x + 2y + 5 = 0 hat den Mittelpunkt M(a; b). Gib a an.

✓ Antwort: 3
x²−6x = (x−3)²−9, y²+2y = (y+1)²−1. Also (x−3)²+(y+1)² = 5. M(3; −1), also a = 3.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Bringe die Gleichung x² + y² − 8x + 10y + 5 = 0 auf Standardform. Wie groß ist der Radius r?

✓ Antwort: 6
(x² − 8x + 16) + (y² + 10y + 25) = −5 + 16 + 25 = 36. (x−4)² + (y+5)² = 36. r = √36 = 6.
Wahr / Falsch #2 30s ▶ Testen

Die Gleichung x² + y² + 4x − 2y + 6 = 0 beschreibt einen Kreis.

✓ Falsch
Falsch. Quadratische Ergänzung: (x+2)² + (y−1)² = 4 + 1 − 6 = −1 < 0. Kein Kreis (leere Lösungsmenge).
Zahleneingabe #3 35s ▶ Testen

Bestimme den Radius der Kugel x² + y² + z² − 6x + 2y + 5 = 0. Gib den Wert gerundet auf eine Dezimalstelle an.

✓ Antwort: 2.2
Quadratische Ergänzung: (x−3)² + (y+1)² + z² = −5 + 9 + 1 = 5. M(3; −1; 0), r = √5 ≈ 2,2.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Bestimme die Schnittpunkte von k: x² + y² = 25 und g: y = x − 1. Gib die größere x-Koordinate an.

✓ Antwort: 4
Einsetzen: x² + (x−1)² = 25 → 2x² − 2x + 1 − 25 = 0 → 2x² − 2x − 24 = 0 → x² − x − 12 = 0 → (x−4)(x+3) = 0. x = 4 oder x = −3.
Zahleneingabe #5 20s ▶ Testen

Berechne den Abstand des Mittelpunkts M(0; 0) von der Geraden 3x + 4y = 15.

✓ Antwort: 3
d = |3·0 + 4·0 − 15|/√(9+16) = 15/5 = 3.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Für den Kreis x² + y² = r² ist die Tangente im Punkt P₀(x₀; y₀) auf dem Kreis:

  • ● x₀·x + y₀·y = r²
  • ○ x₀·x − y₀·y = r²
  • ○ x₀ + y₀ = r
  • ○ y − y₀ = (x₀/y₀)(x − x₀)
Die Tangentengleichung im Punkt P₀ am Kreis x²+y²=r² ist x₀x + y₀y = r².
Zahleneingabe #7 40s ▶ Testen

Ist g: y = 2x + c eine Tangente an k: x² + y² = 5? Für welchen positiven Wert von c?

✓ Antwort: 5
Einsetzen: x² + (2x+c)² = 5 → 5x² + 4cx + c² − 5 = 0. Tangente: Diskriminante = 0: 16c² − 4·5·(c²−5) = 0 → 16c² − 20c² + 100 = 0 → −4c² + 100 = 0 → c² = 25 → c = ±5. Positiv: c = 5.
Lückentext #8 25s ▶ Testen

Die allgemeine Kreisgleichung x² + y² + Ax + By + C = 0 beschreibt genau dann einen Kreis, wenn A²/4 + B²/4 − C ___.

✓ Antwort: > 0
Quadratische Ergänzung: (x+A/2)²+(y+B/2)² = A²/4+B²/4−C. Für einen Kreis muss die rechte Seite positiv sein.
Wahr / Falsch #9 20s ▶ Testen

Im Raum beschreibt x² + y² = r² (ohne Einschränkung an z) eine Kreisfläche.

✓ Falsch
Falsch. Ohne Einschränkung an z beschreibt x² + y² = r² einen Zylinder (unendlich viele Kreise übereinander).
Schwer
Zahleneingabe #1 60s ▶ Testen

Unter welchem Winkel schneiden sich die Kreise k₁: x²+y² = 25 und k₂: x²+y²−21x−14y+25 = 0 in einem Schnittpunkt? Hinweis: Berechne zunächst die Schnittpunkte. Der Winkel zwischen den Tangenten entspricht dem Winkel zwischen den Radien. Gib den Winkel in Grad gerundet auf ganze Zahlen an.

✓ Antwort: 90
k₂: (x−10,5)²+(y−7)² = 110,25+49−25 = 134,25. Schnittpunkte: Subtraktion: −21x−14y+50 = 0 → 21x+14y = 50 → 3x+2y = 50/7. Die Schnittwinkelberechnung über die Radiusvektoren ergibt 90°.