Abstand Punkt–Gerade

Distance point to line

Mathematik Klasse 13 14 Aufgaben
GeometrieGeradenAnalytische GeometrieAbstand

Der Abstand eines Punktes P von einer Geraden g ist die Länge des Lots auf g. Der Lotfußpunkt F ergibt sich mit einer Hilfsebene H durch P, deren Normalenvektor der Richtungsvektor u von g ist: H: u·X = u·P wird mit g geschnitten wie in der Station Gerade und Ebene. Der Abstand ist dann |PF|; für parallele Geraden genügt ein Punkt der einen Geraden. Räumt aus, den Abstand zum Aufpunkt A für den Abstand zur Geraden zu halten, die Hilfsebene mit n statt u oder mit dem Aufpunkt statt mit P zu bilden. Bereitet den Abstand windschiefer Geraden und die Lage von Kugel und Gerade vor.

Das Lot auf die Gerade

Die Drohne bei P(2 | 1 | 4) fliegt neben der Dachkante s: X = (0; 2; 2) + t·(1; 0; −1). Für den Abstand braucht man den Lotfußpunkt F, den Punkt von s mit PF ⟂ s. Dazu legt man durch P die Hilfsebene H senkrecht zu s: Ihr Normalenvektor ist der Richtungsvektor u = (1; 0; −1), also . Der Schnitt von s mit H ist ein Durchstoßpunkt wie bei Gerade und Ebene: t − (2 − t) = −2 gibt t = 0 und F(0 | 2 | 2). Der Abstand ist die Länge des Lots: d = |PF| = |(−2; 1; −2)| = 3.

Verschiebe X auf s. Wo ist |PX| am kleinsten, und welchen Wert hat PX·u dort?

Parallele Geraden

Parallele Geraden haben überall denselben Abstand: Man wählt einen Punkt der einen Geraden und berechnet seinen Abstand zur anderen. Das Kabel h: X = (4; 1; 2) + μ·(2; 0; −2) ist parallel zu s und enthält P(2 | 1 | 4) (μ = −1). Also ist d(s, h) = 3. Nicht der Abstand der Aufpunkte zählt, hier |(4; −1; 0)| = √17 ≈ 4,1: Ihre Verbindung steht nicht senkrecht auf den Geraden.

Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche Ebene ist die Hilfsebene durch P(5 | 1 | 2) senkrecht zu g: X = (1; 0; 1) + λ·(2; −1; 2)?

  • ● 2x₁ − x₂ + 2x₃ = 13
  • ○ 2x₁ − x₂ + 2x₃ = 4
  • ○ 5x₁ + x₂ + 2x₃ = 30
Der Normalenvektor der Hilfsebene ist der Richtungsvektor u = (2; −1; 2), die rechte Seite ist u·P = 10 − 1 + 4 = 13. Bei „= 4“ wurde der Aufpunkt A(1 | 0 | 1) eingesetzt (u·A = 4), bei der dritten Gleichung ist der Ortsvektor von P als Normalenvektor genommen (P·P = 30).
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Die Hilfsebene 2x₁ − x₂ + 2x₃ = 13 schneidet g: X = (1; 0; 1) + λ·(2; −1; 2) bei λ = 1. Welcher Punkt ist der Lotfußpunkt von P(5 | 1 | 2) auf g?

  • ● F(3 | −1 | 3)
  • ○ F(1 | 0 | 1)
  • ○ F(5 | −2 | 5)
λ = 1 in g eingesetzt: (1 + 2; 0 − 1; 1 + 2) = (3; −1; 3). Probe: PF = (−2; −2; 1) und u·PF = −4 + 2 + 2 = 0. F(1 | 0 | 1) ist der Aufpunkt (λ = 0), F(5 | −2 | 5) gehört zu λ = 2.
Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

F(2 | 4 | 4) ist der Lotfußpunkt von P(3 | 2 | 4) auf g: X = λ·(1; 2; 2).

✓ Falsch
F liegt zwar auf g (λ = 2 gehört zu (2 | 4 | 4)), aber PF = (−1; 2; 0) hat u·PF = −1 + 4 + 0 = 3 ≠ 0: PF steht nicht senkrecht auf g. Der Lotfußpunkt hat λ = 5/3.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Der Lotfußpunkt von P(5 | 1 | 2) auf g ist F(3 | −1 | 3), und g hat den Aufpunkt A(1 | 0 | 1). Wie groß ist der Abstand von P zu g?

  • ● 3
  • ○ 4,2
  • ○ 9
Der Abstand ist die Länge des Lots: PF = (−2; −2; 1), |PF| = √9 = 3. „4,2“ ist |PA| = √18 (Abstand zum Aufpunkt), „9“ ist |PF|² ohne die Wurzel.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Für P(5 | 1 | 2) und g: X = (1; 0; 1) + λ·(2; −1; 2) ist der Abstand von P zu g kleiner als der Abstand von P zum Aufpunkt A(1 | 0 | 1).

✓ Wahr
Der Abstand zu g ist 3, der Abstand zu A ist |PA| = |(4; 1; 1)| = √18 ≈ 4,24. Das Lot ist die kürzeste Verbindung von P zu allen Punkten von g, auch zum Aufpunkt.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Die Geraden g: X = (1; 0; 1) + λ·(1; 2; 2) und h: X = (4; 3; 1) + μ·(1; 2; 2) sind parallel. Wie groß ist ihr Abstand?

  • ● 3
  • ○ 4,2
  • ○ 9
B(4 | 3 | 1) hat von g den Lotfußpunkt F(2 | 2 | 3) (λ = 1), und |BF| = |(2; 1; −2)| = 3. „4,2“ ist der Abstand der Aufpunkte |AB| = √18, „9“ das Skalarprodukt (B − A)·u.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Punkte B(4 | 3 | 1) und B′(5 | 5 | 3) liegen auf h: X = (4; 3; 1) + μ·(1; 2; 2) und haben denselben Abstand zur parallelen Geraden g: X = (1; 0; 1) + λ·(1; 2; 2).

✓ Wahr
B′ ist B + u, liegt also auf h. Beide haben den Abstand 3 zu g (B′ hat den Lotfußpunkt (3 | 4 | 5) mit B′F′ = (2; 1; −2)). Parallele Geraden haben überall denselben Abstand.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Die Hilfsebene 2x₁ − x₂ + 2x₃ = 13 wird mit g: X = (1; 0; 1) + λ·(2; −1; 2) geschnitten. Für welches λ?

✓ Antwort: 1
2(1 + 2λ) − (−λ) + 2(1 + 2λ) = 4 + 9λ = 13, also λ = 1.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Der Lotfußpunkt von P(6 | 6 | 2) auf g ist F(4 | 5 | 4). Berechne |PF|.

✓ Antwort: 3
PF = F − P = (−2; −1; 2), |PF| = √(4 + 1 + 4) = 3.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Der Punkt B(4 | 3 | 1) der Geraden h hat den Lotfußpunkt F(2 | 2 | 3) auf der parallelen Geraden g. Wie groß ist der Abstand von g und h?

✓ Antwort: 3
BF = (−2; −1; 2), |BF| = √(4 + 1 + 4) = 3.
Schwer
Zahleneingabe #1 50s ▶ Testen

Bestimme den Lotfußpunkt von P(6 | 6 | 2) auf g: X = (2; 1; 0) + λ·(1; 2; 2). Welche x₂-Koordinate hat er?

✓ Antwort: 5
Hilfsebene: x₁ + 2x₂ + 2x₃ = 6 + 12 + 4 = 22. Einsetzen: (2 + λ) + 2(1 + 2λ) + 2·2λ = 4 + 9λ = 22, also λ = 2 und F(4 | 5 | 4). Also x₂ = 5.
Zahleneingabe #2 50s ▶ Testen

Die Dachkante ist s: X = (0; 2; 2) + t·(1; 0; −1). Eine Drohne schwebt im Punkt P(5 | 4 | 5) (1 Längeneinheit = 1 m). Welchen Abstand hat sie zur Kante s?

✓ Antwort: 6
Hilfsebene: x₁ − x₃ = 0. Einsetzen: t − (2 − t) = 0 gibt t = 1 und F(1 | 2 | 1). PF = (−4; −2; −4), |PF| = √36 = 6 m.
Zahleneingabe #3 50s ▶ Testen

Zwei parallele Kabel: g: X = (1; 1; 0) + λ·(0; 3; 4) und h: X = (6; 4; 4) + μ·(0; 3; 4). Wie groß ist ihr Abstand (1 Längeneinheit = 1 m)?

✓ Antwort: 5
B(6 | 4 | 4): Hilfsebene 3x₂ + 4x₃ = 12 + 16 = 28. g eingesetzt: 3(1 + 3λ) + 4·4λ = 3 + 25λ = 28 gibt λ = 1, F(1 | 4 | 4). BF = (−5; 0; 0), |BF| = 5 m. Der Abstand der Aufpunkte, √50 ≈ 7,1, wäre falsch.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Die Dachkante ist s: X = (0; 2; 2) + t·(1; 0; −1). Eine Drohne schwebt im Punkt P(6 | 4 | 4). Bestimme den Lotfußpunkt F auf s mit einer Hilfsebene und berechne damit den Abstand von P zu s. Prüfe, dass PF senkrecht auf s steht. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Richtungsvektor u = (1; 0; −1). Hilfsebene H durch P senkrecht zu s: x₁ − x₃ = 6 − 4 = 2. Einsetzen von s: t − (2 − t) = 2, also 2t = 4 und t = 2, F(2 | 2 | 0). PF = F − P = (−4; −2; −4), |PF| = √(16 + 4 + 16) = 6. Probe: u·PF = −4 + 4 = 0.
Hilfsebene mit Normalenvektor u durch P, mit der Geraden schneiden, dann |PF|.