Fortgeschritten Kurzaufgabe 5 Punkte ~20 Min. Mathematik & Logik

Ebenen und Geraden: Lagebeziehungen

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Ebene E ⁣:2x1x2+3x3=7E\colon 2x_1 - x_2 + 3x_3 = 7 und die Gerade

g ⁣:x=(121)+s(111),sRg\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}, \quad s \in \mathbb{R}

  • (a) Untersuchen Sie, ob die Gerade gg die Ebene EE schneidet, und bestimmen Sie gegebenenfalls den Schnittpunkt.
  • (b) Bestimmen Sie den Schnittwinkel zwischen gg und EE.

Lösungsweg

Schritt 1: Schnittpunkt bestimmen (a)

Einsetzen der Geradengleichung in die Ebenengleichung:

2(1+s)(2s)+3(1+s)=72(1 + s) - (2 - s) + 3(1 + s) = 7

2+2s2+s+3+3s=72 + 2s - 2 + s + 3 + 3s = 7

3+6s=73 + 6s = 7

6s=4s=236s = 4 \quad \Rightarrow \quad s = \frac{2}{3}

Da eine eindeutige Lösung existiert, schneiden sich gg und EE.

Schnittpunkt: Einsetzen von s=23s = \frac{2}{3} in gg:

S=(1+232231+23)=(534353)S = \begin{pmatrix} 1 + \frac{2}{3} \\ 2 - \frac{2}{3} \\ 1 + \frac{2}{3} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{5}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \frac{5}{3} \end{pmatrix}

S ⁣(53  |  43  |  53)\boxed{S\!\left(\frac{5}{3} \;\middle|\; \frac{4}{3} \;\middle|\; \frac{5}{3}\right)}

Kontrolle: 25343+353=10343+153=213=72 \cdot \frac{5}{3} - \frac{4}{3} + 3 \cdot \frac{5}{3} = \frac{10}{3} - \frac{4}{3} + \frac{15}{3} = \frac{21}{3} = 7

Schritt 2: Schnittwinkel bestimmen (b)

Der Schnittwinkel α\alpha zwischen Gerade und Ebene berechnet sich über den Richtungsvektor v=(111)\vec{v} = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} und den Normalenvektor n=(213)\vec{n} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}:

sin(α)=vnvn\sin(\alpha) = \frac{|\vec{v} \cdot \vec{n}|}{|\vec{v}| \cdot |\vec{n}|}

Schritt 3: Berechnung

vn=12+(1)(1)+13=2+1+3=6\vec{v} \cdot \vec{n} = 1 \cdot 2 + (-1) \cdot (-1) + 1 \cdot 3 = 2 + 1 + 3 = 6

v=1+1+1=3,n=4+1+9=14|\vec{v}| = \sqrt{1 + 1 + 1} = \sqrt{3}, \quad |\vec{n}| = \sqrt{4 + 1 + 9} = \sqrt{14}

sin(α)=6314=6420,9258\sin(\alpha) = \frac{6}{\sqrt{3} \cdot \sqrt{14}} = \frac{6}{\sqrt{42}} \approx 0{,}9258

α=arcsin(0,9258)67,8°\boxed{\alpha = \arcsin(0{,}9258) \approx 67{,}8°}

Ergebnis

FrageAntwort
LagebeziehungGerade schneidet Ebene
SchnittpunktS ⁣(534353)S\!\left(\frac{5}{3} \mid \frac{4}{3} \mid \frac{5}{3}\right)
Schnittwinkelα67,8°\alpha \approx 67{,}8°

Schlagwörter

ebenegeradeschnittpunktlagebeziehung