Kugeln im Raum

Spheres in space

Mathematik Klasse 13 18 Aufgaben
GeometrieKugelnAnalytische GeometrieAbstandSchnittmenge

Eine Kugel besteht aus allen Punkten mit dem Abstand r vom Mittelpunkt M; quadriert ergibt das (x₁ − m₁)² + (x₂ − m₂)² + (x₃ − m₃)² = r². Der Abschnitt zeigt, wie man die Gleichung aufstellt, aus der ausmultiplizierten Form durch quadratische Ergänzung M und r abliest und die Lage zu Ebene oder Gerade am Abstand d des Mittelpunkts entscheidet: d > r nichts, d = r Berührung, d < r Schnittkreis mit ρ = √(r² − d²) bzw. zwei Schnittpunkte. Räumt aus, r statt r² zu schreiben, die Vorzeichen des Mittelpunkts zu verdrehen oder r − d für den Schnittkreisradius zu halten. Bereitet Sachprobleme mit Berührung vor.

Die Kugelgleichung

Die Kugel besteht aus allen Punkten X mit dem festen Abstand r vom Mittelpunkt M: |MX| = r. Quadriert entsteht die Koordinatenform Die Sicherheitszone der Drohne bei M(3 | 3 | 3) mit r = 5 ist (x₁ − 3)² + (x₂ − 3)² + (x₃ − 3)² = 25; der Punkt (6 | 7 | 3) liegt darauf: 9 + 16 + 0 = 25. Rechts steht r², nicht r, und (x₂ + 2)² gehört zu m₂ = −2. Ausmultipliziert, etwa x₁² + x₂² + x₃² − 4x₁ + 2x₂ − 6x₃ − 2 = 0, ergänzt man quadratisch: (x₁ − 2)² + (x₂ + 1)² + (x₃ − 3)² = 16, also M(2 | −1 | 3) und r = 4.

Kugel und Ebene

Die Lage entscheidet der Abstand d des Mittelpunkts. Für E: 2x₁ + x₂ + 2x₃ = 6 ist d(M, E) = 3. Ist d > r, haben Kugel und Ebene nichts gemeinsam. Bei d = r berührt E die Kugel in einem Punkt. Bei d < r schneiden sie sich in einem Kreis mit dem Radius ρ = √(r² − d²), dessen Mittelpunkt der Lotfußpunkt F(1 | 2 | 1) ist. Für r = 5 ergibt sich ρ = √(25 − 9) = 4.

Verschiebe die Ebene. Wann berührt sie die Kugel, und wie hängen r, d und ρ zusammen?

Kugel und Gerade

Bei einer Geraden entscheidet ebenso d(M, g): Für d > r ist sie eine Passante, für d = r Tangente, für d < r Sekante mit zwei Schnittpunkten und der Sehne 2·√(r² − d²). Die Dachkante s hat von M(3 | 3 | 3) den Abstand 3. Für r = 5 ist s also eine Sekante mit der Sehne 2·4 = 8.

Verschiebe die Gerade. Wie lang ist die Sehne bei d = 4?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche Gleichung beschreibt die Kugel mit dem Mittelpunkt M(1 | −2 | 3) und dem Radius 4?

  • ● (x₁ − 1)² + (x₂ + 2)² + (x₃ − 3)² = 16
  • ○ (x₁ + 1)² + (x₂ − 2)² + (x₃ + 3)² = 16
  • ○ (x₁ − 1)² + (x₂ + 2)² + (x₃ − 3)² = 4
Die Klammern enthalten x_i − m_i, also (x₂ − (−2)) = (x₂ + 2), und rechts steht r² = 16. Bei der zweiten Gleichung sind alle Vorzeichen des Mittelpunkts verdreht, bei der dritten steht r statt r².
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Welcher Punkt liegt auf der Kugel K: (x₁ − 3)² + (x₂ − 3)² + (x₃ − 3)² = 25?

  • ● Q(6 | 7 | 3)
  • ○ R(6 | 6 | 6)
  • ○ S(3 | 3 | 7)
Q: 3² + 4² + 0² = 25 stimmt. R: 3² + 3² + 3² = 27 > 25 liegt außerhalb der Kugel, S: 0 + 0 + 4² = 16 < 25 liegt im Inneren.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Welchen Mittelpunkt hat die Kugel x₁² + x₂² + x₃² − 4x₁ + 2x₂ − 6x₃ − 2 = 0?

  • ● M(2 | −1 | 3)
  • ○ M(4 | −2 | 6)
  • ○ M(−2 | 1 | −3)
Quadratisch ergänzt: (x₁ − 2)² + (x₂ + 1)² + (x₃ − 3)² = 16. Man halbiert die Koeffizienten von x_i und kehrt das Vorzeichen um. M(4 | −2 | 6) hat nicht halbiert, M(−2 | 1 | −3) die Vorzeichen nicht umgekehrt.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Welchen Radius hat die Kugel x₁² + x₂² + x₃² − 4x₁ + 2x₂ − 6x₃ − 2 = 0?

  • ● 4
  • ○ 16
  • ○ √2
Ergänzt man, steht rechts r² = 2 + 4 + 1 + 9 = 16, also r = 4. Die 16 ist r², nicht r; „√2“ liest die −2 der Gleichung als r² und vergisst die Ergänzungen.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Die Kugel um M(3 | 3 | 3) hat den Radius 2, die Ebene ist E: 2x₁ + x₂ + 2x₃ = 6. Wie liegen sie zueinander?

  • ● kein gemeinsamer Punkt
  • ○ genau ein gemeinsamer Punkt
  • ○ ein Schnittkreis
d(M, E) = |6 + 3 + 6 − 6|/3 = 3 > 2 = r: Die Ebene bleibt außerhalb der Kugel. Bei d = r gäbe es genau einen Punkt (Berührung), bei d < r einen Kreis.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Die Ebene E: 2x₁ + x₂ + 2x₃ = 6 hat vom Kugelmittelpunkt M(3 | 3 | 3) den Abstand 3, und die Kugel hat den Radius 5. Welchen Radius hat der Schnittkreis?

  • ● 4
  • ○ 2
  • ○ √34
ρ = √(r² − d²) = √(25 − 9) = 4. „2“ wäre r − d, „√34“ wäre √(r² + d²): Pythagoras wird hier rückwärts gebraucht (r ist die Hypotenuse).
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Kugel um M(3 | 3 | 3) mit Radius 3 berührt die Ebene E: 2x₁ + x₂ + 2x₃ = 6.

✓ Wahr
d(M, E) = 3 = r: Die Ebene hat genau einen Punkt mit der Kugel gemeinsam, den Lotfußpunkt F(1 | 2 | 1). E ist dann Tangentialebene.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Eine Gerade hat vom Mittelpunkt einer Kugel mit Radius 5 den Abstand 6. Wie liegen Gerade und Kugel zueinander?

  • ● Passante (kein gemeinsamer Punkt)
  • ○ Tangente (ein gemeinsamer Punkt)
  • ○ Sekante (zwei gemeinsame Punkte)
Der Abstand 6 ist größer als der Radius 5: Die Gerade verfehlt die Kugel. Für d = 5 wäre sie Tangente, für d < 5 Sekante.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Die Dachkante s: X = (0; 2; 2) + t·(1; 0; −1) berührt die Kugel um M(3 | 3 | 3) mit Radius 4.

✓ Falsch
Der Abstand von M zu s ist |MF| = 3 (Lotfußpunkt F(1 | 2 | 1)). Wegen d = 3 < 4 = r ist s eine Sekante mit zwei Schnittpunkten; berühren würde s die Kugel erst bei r = 3.
Mittel
Zahleneingabe #1 20s ▶ Testen

Die Kugel K: (x₁ − 4)² + (x₂ + 2)² + (x₃ − 1)² = 36 hat den Mittelpunkt M. Welche x₂-Koordinate hat M?

✓ Antwort: -2
(x₂ + 2)² = (x₂ − (−2))², also m₂ = −2. Der Radius ist √36 = 6.
Zahleneingabe #2 20s ▶ Testen

Ergänze x₁² − 6x₁ zu einem Quadrat: x₁² − 6x₁ + ___ = (x₁ − 3)². Welche Zahl fehlt?

✓ Antwort: 9
Man halbiert den Koeffizienten von x₁ und quadriert: (−6/2)² = 9.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Der Abstand des Mittelpunkts zur Ebene ist 5, der Kugelradius 13. Berechne den Radius ρ des Schnittkreises.

✓ Antwort: 12
ρ = √(r² − d²) = √(169 − 25) = √144 = 12.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Eine Gerade hat vom Mittelpunkt einer Kugel mit Radius 13 den Abstand 5. Wie lang ist die Sehne, die die Kugel aus der Geraden schneidet?

✓ Antwort: 24
Die halbe Sehne ist ρ = √(r² − d²) = √(169 − 25) = 12, die Sehne also 2·12 = 24.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Eine Kugel hat den Mittelpunkt M(1 | 2 | 2) und geht durch P(4 | 6 | 2). Bestimme ihren Radius.

✓ Antwort: 5
r = |MP| = |(3; 4; 0)| = √(9 + 16 + 0) = 5. Die Gleichung lautet (x₁ − 1)² + (x₂ − 2)² + (x₃ − 2)² = 25.
Zahleneingabe #2 50s ▶ Testen

Bestimme den Radius der Kugel x₁² + x₂² + x₃² − 2x₁ + 4x₂ − 4x₃ − 16 = 0.

✓ Antwort: 5
Ergänzen: (x₁ − 1)² + (x₂ + 2)² + (x₃ − 2)² = 16 + 1 + 4 + 4 = 25. Also M(1 | −2 | 2) und r = 5.
Zahleneingabe #3 40s ▶ Testen

Für welchen Radius r berührt die Kugel um M(1 | 1 | 1) die Ebene E: 2x₁ − 2x₂ + x₃ = −5?

✓ Antwort: 2
d(M, E) = |2 − 2 + 1 + 5|/3 = 6/3 = 2. Berührung heißt r = d, also r = 2.
Zahleneingabe #4 50s ▶ Testen

Die Kugel um M(3 | 3 | 3) hat den Radius 5. Die Gerade g: X = (1; 0; 3) + λ·(0; 1; 0) schneidet sie. Wie lang ist die Sehne (auf 0,1 genau)?

✓ Antwort: 9.2
Der Lotfußpunkt von M auf g ist (1 | 3 | 3) (Hilfsebene x₂ = 3), also d = |(2; 0; 0)| = 2. Die Sehne ist 2·√(25 − 4) = 2·√21 ≈ 9,2.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Eine Drohne im Punkt M(3 | 3 | 3) hat eine kugelförmige Sicherheitszone mit dem Radius 5 (1 Längeneinheit = 1 m). Das Glasdach ist E: 2x₁ + x₂ + 2x₃ = 6. Stelle die Gleichung der Kugel auf, zeige, dass das Dach die Zone in einem Kreis schneidet, und bestimme Mittelpunkt und Radius des Schnittkreises. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: K: (x₁ − 3)² + (x₂ − 3)² + (x₃ − 3)² = 25. Abstand: d(M, E) = |2·3 + 3 + 2·3 − 6|/3 = 9/3 = 3 < 5, also schneidet E die Kugel in einem Kreis. Radius: ρ = √(25 − 9) = 4 m. Mittelpunkt: Lotfußpunkt F, Lot X = (3; 3; 3) + λ·(2; 1; 2) in E: 15 + 9λ = 6, λ = −1, F(1 | 2 | 1).
Kugelgleichung mit r²; d(M, E) mit Hesse; ρ = √(r² − d²); Mittelpunkt über das Lot.