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Aufgaben

Aufgabe 1

Stelle jeweils eine Geradengleichung auf, die diese Informationen enthält.

a)
\( A(9|0|-2) \), \( B(4|-4|-4) \)
b)
\( A(1|1|1) \), \( B(0|2|-2) \)
c)
Die Gerade verläuft auf der y-Achse.
d)
Die Gerade geht durch den Punkt \( P(0|2|-2) \) und läuft parallel zur z-Achse.
e)
Die Gerade geht durch den Punkt \( P(3|0|3) \) und schneidet nicht die yz-Ebene.

Aufgabe 2

Gegeben sind die Punkte \( A(8|2|4) \) und \( B(2|4|-6) \).

a)
Erstelle eine Geradengleichung, die durch die Punkte verläuft.
b)
Prüfe, ob die folgenden Punkte auf der Geraden liegen: \( C(5|3|-1) \), \( D(-4|6|0) \), \( E(10|6|0) \), \( F(11|1|9) \)
c)
Bestimme alle Spurpunkte der Geraden.
d)
Untersuche, ob es Punkte auf der Gerade gibt, dessen Koordinaten aus drei gleichen Zahlen bestehen.

Aufgabe 3

Untersuche die Lagebeziehung zwischen den folgenden Geraden. Bestimme gegebenfalls den Schnittpunkt.

a)
\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -3 \\ 3 \\ 3 \end{pmatrix} \)
b)
\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 5 \\ 5 \\ -3 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ -3 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} -3 \\ 3 \\ 3 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} \)
c)
\( g: \vec{x} = r \cdot \begin{pmatrix} 8 \\ -4 \\ 4 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} 8 \\ 4 \\ 4 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} \)
d)
\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 5 \\ 3 \\ -3 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} -4 \\ 5 \\ 2 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} -3 \\ 3 \\ 6 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -2 \\ 5 \\ 2 \end{pmatrix} \)
e)
\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} -9 \\ 0 \\ -6 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ -10 \\ -1 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -4 \\ 4 \\ -2 \end{pmatrix} \)
f)
\( g: \vec{x} = r \cdot \begin{pmatrix} 0{,}5 \\ 4 \\ -3 \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = s \cdot \begin{pmatrix} 5 \\ 4 \\ 0 \end{pmatrix} \)

Aufgabe 4

Betrachtet werden zwei Flugzeuge. Flugzeug A fliegt vom Punkt \( (20|68|312) \) in 5 Minuten zum Punkt \( (26|62|305) \). Flugzeug B fliegt vom Punkt \( (24|45|255) \) in 5 Minuten zum Punkt \( (50|38|277) \).

a)
Untersuche, ob die beiden Flugzeuge sich treffen.
b)
Angenommen beide Flugzeuge fliegen konstant mit derselben Geschwindigkeit. Beurteile dein Ergebnis aus a).

Aufgabe 5

Gegeben seien zwei Geraden

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} a \\ 1 \\ 4 \end{pmatrix} + r \cdot \begin{pmatrix} -2 \\ b \\ c \end{pmatrix} \; ; \; h: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ -3 \\ 8 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -2 \end{pmatrix} \)
a)
Bestimme a, b und c so, dass beide Geraden sich in einem Punkt schneiden.
b)
Bestimme a, b und c so, dass beide Geraden windschief zueinander sind.
c)
Bestimme a, b und c so, dass beide Geraden parallel zueinander sind.
d)
Bestimme a, b und c so, dass beide Geraden identisch sind.
e)
Bestimme a, b und c so, dass die Gerade g einen Punkt enthält, dessen Koordinaten aus maximal zwei verschiedenen Zahlen bestehen.
f)
Bestimme a, b und c so, dass die Gerade g einen Punkt enthält, dessen Koordinaten aus der gleichen Zahl bestehen.

Aufgabe 6

Ein U-Boot befindet sich im Punkt \( P_1(48|-124|-75) \) und bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von \( 2{,}5 \frac{m}{s} \) in \( x_2 \)-Richtung.

Hinweis: Alle Koordinaten in m.

a)
Bestimme den Richtungsvektor des U-Boots, der seine Bewegung pro Sekunde beschreibt.
b)
Berechne den Punkt \( P_2 \) des U-Boots, an dem er sich nach einer Minute befindet.

Man weiß, dass sich am Meeresgrund im Punkt \( B(40|755|-89) \) ein Schiffswrack befindet.

c)
Bestimme die Richtung, die das U-Boot ab dem Punkt \( P_2 \) einschlagen muss, um zum Schiffswrack zu gelangen.
d)
Bestimme die Zeit in Minuten, die das U-Boot insgesamt braucht, um vom Punkt \( P_1 \) über den Punkt \( P_2 \) bis zum Punkt \( B \) zu benötigen, wenn er stets mit der konstanten Geschwindigkeit von \( 2{,}5 \frac{m}{s} \) fährt.

Lösungen

Aufgabe 1

(zu dieser Aufgabe gibt es unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten, es wird jeweils nur eine Lösung als Beispiel angegeben)

a)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 9 \\ 0 \\ -2 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -5 \\ -4 \\ -2 \end{pmatrix} \)

b)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ -3 \end{pmatrix} \)

c)

\( g: \vec{x} = s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \)

d)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ -2 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \)

e)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 3 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} \)

Aufgabe 2

a)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 8 \\ 2 \\ 4 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -6 \\ 2 \\ -10 \end{pmatrix} \)

b) C Ja, D Nein, E Nein, F Ja

c) \( S_{xy}(5{,}6|2{,}8|0) \), \( S_{xz}(14|0|14) \), \( S_{yz}(0|4{,}67|-9{,}33) \)

d)

\( \begin{pmatrix} x \\ x \\ x \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 9 \\ 0 \\ -2 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -5 \\ -4 \\ -2 \end{pmatrix} \rightarrow \text{keine Lösung.} \)

Es existiert kein Punkt, dessen Koordinaten aus drei gleichen Zahlen bestehen.

Aufgabe 3

a) windschief

b) schneidend \( S(-3|3|3) \)

c) parallel

d) windschief

e) identisch

f) schneidend \( S(0|0|0) \)

Aufgabe 4

a)

\( g_A: \vec{x} = \begin{pmatrix} 20 \\ 68 \\ 312 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 6 \\ -6 \\ -7 \end{pmatrix} \qquad g_B: \vec{x} = \begin{pmatrix} 24 \\ 45 \\ 255 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 26 \\ -7 \\ 22 \end{pmatrix} \)
\( g_A = g_B \quad \rightarrow \quad \text{schneidend mit } s = 5 \text{ und } t = 1 \)

b) Die Geraden schneiden sich, aber nicht die Flugzeuge, da diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten den Schnittpunkt erreichen.

Aufgabe 5

(zu dieser Aufgabe gibt es unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten, es wird jeweils nur eine Lösung als Beispiel angegeben)

a) \( a = 3, b = -2, c = 2 \)

b) \( a = 1, b = -2, c = 4 \)

c) \( a = 0, b = -4, c = 4 \)

d) \( a = 2, b = -4, c = 4 \)

e) \( a = 4, b = 0, c = 0 \)

f) \( a = 2, b = -1, c = -4 \)

Aufgabe 6

a)

\( \vec{v} = \begin{pmatrix} 0 \\ 2{,}5 \\ 0 \end{pmatrix} \)

b)

\( g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 48 \\ -124 \\ -75 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 2{,}5 \\ 0 \end{pmatrix} \quad \rightarrow \quad s = 60 \quad \rightarrow \quad P_2(48|26|-75) \)

c)

\( \overrightarrow{P_2B} = \begin{pmatrix} -8 \\ 729 \\ -14 \end{pmatrix} \)

d) \( |\overrightarrow{P_1P_2}| + |\overrightarrow{P_2B}| \approx 879 s \approx 14{,}65 \, min \)

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