HMF 3 - Lösung


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Aufgabe 1 Mittelpunkt, Radius, Punkt

Mit der allgemeinen Kugelgleichung

\( \quad K: (x_1 - m_1)^2 + (x_2 -m_2)^2 + (x_3 - m_3)^2 = r^2 \)

\(\\\)

können wir den Mittelpunkt und Radius ablesen mit

\( \quad M(4 | 4 | 1) \quad \textrm{und} \quad r^2=1 \; \Leftrightarrow \; r=1 \)

\(\\\)

Setzen wir nun 2 geeignete Punktkoordinaten in die Kugelgleichung \(K\) ein, z. B. \(x_1=4\) und \(x_2=4\), so erhalten wir die 3. Punktkoordinate:

\( \quad \begin{array}{ r c l l} (4 - 4)^2 + (4 -4)^2 + (x_3 - 1)^2 & = & 1 & \\[6pt] (x_3 - 1)^2 & = & 1 & | \sqrt{\dots} \\ \end{array} \)

\(\\\)

Durch das Wurzelziehen erhalten wir 2 Lösungen:

\( \quad \begin{align} x_{3_1} - 1 & = 1 \quad | \; +1 && \textrm{und} & x_{3_2} - 1 & = -1 \quad | \; +1 \\[6pt] x_{3_1} & = 2 && & x_{3_2} & = 0 \end{align} \)

\(\\\)

Mit der 1. Lösung ergibt sich der Punkt \(P(4 | 4 | 2)\).

\(\\[2em]\)

Aufgabe 2 Berührpunkt

Die Aufgabe lässt sich auf zweierlei Arten lösen:

  1. Berechnung der Schnittpunkte zwischen Gerade und Kugel.
  2. Nachweisen, dass die Gerade eine Tangente an der Kugel ist.

\(\\[1em]\)

Lösungsweg 1 Schnittpunkt Gerade/Kugel

Für Kugel und Geraden gibt es 3 mögliche Lagen,

\(\quad\) my image

\(\\\) wie hier zu sehen ist. Das bedeutet, dass es nur

geben kann.

\(\\\) Wir untersuchen nun die Anzahl der Lösungen bei der Schnittpunktberechnung. Dazu benötigen wir zuerst die Geradengleichung.

\( \quad \begin{array}{ r c l l} \textrm{g}: \vec{x} & = & \vec{a} \; + \; r \cdot \vec{AB} \\[6pt] & = & \vec{a} \; + \; r \cdot \left(\vec{b} - \vec{a}\right) \\[8pt] & = & \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} + \; r \cdot \left[ \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 0 \\ 8 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} - \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \right] \\[10pt] & = & \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} + \; r \cdot \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{r} -4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \\ \end{array} \)

\(\\\)

Zur Schnittpunktberechnung setzen wir die Gerade \(g\) in die Kugel

\( \quad K: (x_1 - 4)^2 + (x_2 - 4)^2 + (x_3 - 1)^2 = 1 \)

ein.

\(\\\) Gerade \(g\) können wir auch schreiben als

\( \quad \textrm{g}: \vec{x} = \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array} \right) \end{smallmatrix} = \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{l} 4 - 4 \cdot r \\ 4 + 4 \cdot r \\ 0 + 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \)

\(\\\)

Eingesetzt in \(K\) erhalten wir

\( \quad \begin{array}{ r c l l} (4 - 4 \cdot r - 4)^2 + (4 + 4 \cdot r -4)^2 + (- 1)^2 & = & 1 & \\[6pt] (- 4 r)^2 + (4 r)^2 + (- 1)^2 & = & 1 & \\[6pt] 16 r^2 + 16 r^2 + 1 & = & 1 & | - 1 \\[6pt] 32 r^2 & = & 0 & | : 32 \\[6pt] r^2 & = & 0 & | \sqrt{\dots} \\[6pt] r & = & 0 & \\ \end{array} \)

\(\\\)

Es existiert genau 1 Lösung mit \(r = 0\). Eingesetzt in \(g\) ergibt dann

\( \quad \vec{x} \; = \; \vec{a} \; = \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \)

\(\\\)

Die Gerade berührt die Kugel in dem Punkt \(A(4 | 4 | 0)\).

\(\\[1em]\)

Lösungsweg 2 Nachweisen der Tangente

Beim Vergleichen der Koordinaten von \(M(4 | 4 | 1)\) und \(A(4 | 4 | 0)\) können wir erkennen,

my image

dass Punkt \(A\) genau 1 Einheit unter Mittelpunkt \(M\) und damit auf dem Rand der Kugel liegt.

\(\\\) Damit \(A\) ein Berührpunkt (Tangentialpunkt) der Geraden \(g\) ist, muss der Vektor \(\vec{AB}\) orthogonal zum Vektor \(\vec{AM}\) liegen. Das ist der Fall, wenn das Skalarprodukt der beiden Vektoren Null ergibt.

\( \quad \begin{array}{ r c l l} \vec{AB} \circ \vec{AM} & = & (\vec{b} \; - \; \vec{a}) \; \circ \; (\vec{m} \; - \; \vec{a}) \\[8pt] & = & \left[ \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 0 \\ 8 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} - \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \right] \circ \left[ \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 1 \end{array} \right) \end{smallmatrix} - \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \right] \\[10pt] & = & \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{c} - 4 \\ 4 \\ 0 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \circ \begin{smallmatrix} \left( \begin{array}{r} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array} \right) \end{smallmatrix} \\[8pt] & = & - 4 \cdot 0 \; + \; 4 \cdot 0 \; + \; 0 \cdot 1 \\[6pt] & = & 0 \\ \end{array} \)

\(\\\)

Die Vektoren sind orthogonal zueinander. Folglich berührt die Gerade im Punkt \(A(4 | 4 | 0)\) die Kugel.

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