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7.1 a) Die Ebene E

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Academic year: 2021

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Dr. Erwin Sch¨ orner

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2014/15):

Lineare Algebra und analytische Geometrie 7

— L¨ osungsvorschlag —

7.1 a) Die Ebene E

2

= t + R · u

1

+ R · u

2

mit

t =

 1 1

−1

 sowie u

1

=

 1

−1 1

 und u

2

=

 1 4 1

 besitzt wegen

u

1

× u

2

=

 1

−1 1

 ×

 1 4 1

 =

−5 0 5

 = −5 · e u mit u e =

 1 0

−1

 den Normalenvektor e u und damit die Gleichung

E

2

: u e ◦

 x y z

 = u e ◦ t bzw. x − z = 2.

Die Schnittgerade s der beiden Ebenen E

1

und E

2

ist damit die L¨ osungs- menge des linearen Gleichungssystems

E

2

: x − z = 2

E

1

: −6 x + 4 y − 10 z = −20 und besitzt wegen

1 0 −1

−6 4 −10

2

−20

II+6I

1 0 −1 0 4 −16

2

−8

die Parameterdarstellung h =

 2

−2 0

 + R ·

 1 4 1

 .

(2)

b) Die Koordinaten x

P

= 0, y

P

= 0 und z

P

= −2 des Punktes P gen¨ ugen gem¨ aß

x

P

− z

P

= 0 − (−2) = 2

der Gleichung der Ebene E

2

; damit liegt P in der Ebene E

2

.

Die Gerade g, welche im Punkt P senkrecht auf der Ebene E

2

steht, besitzt nun den Tr¨ agerpunkt P und den Richtungsvektor e u, also die Parameter- darstellung

g = P + R · u e =

 0 0

−2

 + R ·

 1 0

−1

 .

c) Der Schnittpunkt S der Geraden g mit der Ebene E

1

besitzt (als Punkt von g) die Gestalt

S =

 0 0

−2

 + λ ·

 1 0

−1

 =

 λ 0

−2 − λ

f¨ ur einen geeigneten Parameter λ ∈ R , wobei wegen S ∈ E

1

dann

−6 · λ + 4 · 0 − 10 · (−2 − λ) = −20, also

4 · λ = −40 und damit λ = −10 gilt; folglich ist

S =

−10 0 8

 . 7.2 Die gegebene Ebene E durch die drei Punkte

P =

−1 0 0

 , Q =

 0

−1 0

 und R =

 0 0

−1

besitzt den Tr¨ agerpunkt P sowie die beiden (linear unabh¨ angigen) Richtungsvek- toren

u

1

= Q − P =

 1

−1 0

 und u

2

= R − P =

 1 0

−1

 und damit die Parameterdarstellung

E =

−1 0 0

 + R ·

 1

−1 0

 + R ·

 1 0

−1

 . Folglich ist

e u = u

1

× u

2

=

 1

−1 0

 ×

 1 0

−1

 =

 1 1 1

(3)

ein Normalenvektor der Ebene E, und wir erhalten die Gleichung E : u e ◦

 x y z

 = u e ◦ P bzw. x + y + z = −1.

Die gegebene Gerade g, die den Ursprung 0 enth¨ alt und auf E senkrecht steht, besitzt den Tr¨ agerpunkt 0 und den Richtungsvektor e u und damit die Parameter- darstellung

g =

 0 0 0

 + R ·

 1 1 1

 = R ·

 1 1 1

 .

Der Schnittpunkt S von g und E besitzt (als Punkt von g) die Gestalt

S = λ ·

 1 1 1

 = ·

 λ λ λ

 f¨ ur ein geeignetes λ ∈ R , und wegen S ∈ E gilt

λ + λ + λ = −1, also 3 λ = −1 bzw. λ = − 1 3 ; damit ergibt sich

S =

13

13

13

 .

Als Spiegelpunkt T von 0 an der Ebene E erh¨ alt man schließlich T = 0 + (S − 0)

| {z }

=LotfußpunktS

+(S − 0) = 2 · S =

23

23

23

 .

7.3 Im Raum R

4

sind in Abh¨ angigkeit von α ∈ R \ {0} die beiden Ebenen E

α

= t

1

+ R · u

1

+ R · u

2

und F

α

= t

2

+ R · u

3

+ R · u

4

mit

t

1

=

 2 2 1 1

 , u

1

=

 2 2 2 0

 , u

2

=

 α 0 α α

und t

2

=

 α α 0 α

 , u

3

=

 2 1 0

−1

 , u

4

=

 0 1 2 1

 gegeben; wegen α 6= 0 k¨ onnten f¨ ur E

α

auch die Richtungsvektoren

u

01

=

 1 1 1 0

und u

02

=

 1 0 1 1

(4)

gew¨ ahlt werden, so daß E

α

eigentlich nicht von α abh¨ angig ist. Die beiden Ebenen E

α

und F

α

schneiden sich nun genau dann, wenn E

α

∩ F

α

6= ∅ gilt, es also ein v ∈ R

4

mit v ∈ E

α

und v ∈ F

α

gibt. ¨ Uber die Parameterdarstellungen

t

1

+ λ

1

· u

1

+ λ

2

· u

2

| {z }

∈Eα

= v = t

2

+ λ

3

· u

3

+ λ

4

· u

4

| {z }

∈Fα

f¨ uhrt dies zu der Beziehung

λ

1

· u

1

+ λ

2

· u

2

+ λ

3

· (−u

3

) + λ

4

· (−u

4

) = t

2

− t

1

, also zu dem linearen Gleichungssystem A · x = b mit

A = (u

1

, u

2

, −u

3

, −u

4

) ∈ R

4×4

und b = t

2

− t

1

∈ R

4

;

damit gilt E

α

∩ F

a

6= ∅ genau dann, wenn A · x = b (mindestens) eine L¨ osung

x =

 λ

1

λ

2

λ

3

λ

4

∈ R

4

besitzt. Wegen

(A|b) =

2 α −2 0 α − 2 2 0 −1 −1 α − 2

2 α 0 −2 −1

0 α 1 −1 α − 1

II−I III−I

2 α −2 0 α − 2

0 −α 1 −1 0

0 0 2 −2 −α + 1

0 α 1 −1 α − 1

IV+II

2 α −2 0 α − 2

0 −α 1 −1 0

0 0 2 −2 −α + 1

0 0 2 −2 α − 1

IV−III

2 α −2 0 α − 2

0 −α 1 −1 0

0 0 2 −2 −α + 1

0 0 0 0 2α − 2

 ist das lineare Gleichungssystem A · x = b genau dann l¨ osbar, wenn

Rang(A|b) = Rang(A) = 3, also 2 α − 2 = 0 bzw. α = 1 gilt.

7.4 Im R

3

betrachten wir die Ebene E =

 x y z

 ∈ R

3

| x + 2 y = −1

 und zu gegebenem λ ∈ R die Teilmenge

G

λ

=

 x y z

 ∈ R

3

| x + y − λ z = −1 und −2 x − 3 y + λ z = 1 + λ

.

(5)

a) Die Teilmenge G

λ

mit λ ∈ R besteht genau aus den Punkten

 x y z

 ∈ R

3

, welche den beiden Bedingungen

x + y − λ z = −1 und −2 x − 3 y + λ z = 1 + λ

gen¨ ugen, ist also die L¨ osungsmenge des inhomogenen linearen Gleichungs- systems mit der Koeffizientenmatrix

(A | b) =

1 1 −λ

−2 −3 λ

−1 1 + λ

II+2·I

1 1 −λ 0 −1 −λ

−1

−1 + λ

I+II

1 0 −2 λ

0 −1 −λ

−2 + λ

−1 + λ

. Wegen Rang (A | b) = 2 ist die Teilmenge G

λ

unabh¨ angig von λ ∈ R eindim- sional, also eine Gerade mit der Gestalt

G

λ

= x

p

+ L

0

= t

Gλ

+ R · u

Gλ

=

−2 + λ 1 − λ

0

 + R ·

 2 λ

−λ 1

 . b) Wir betrachten die beiden Teilmengen von R

3

E =

 x y z

 ∈ R

3

| x + 2 y = −1

und G

λ

=

−2 + λ 1 − λ

0

 + R ·

 2 λ

−λ 1

 ; ein gemeinsamer Punkt S von G

λ

und E besitzt als Punkt von G

λ

die Parameterdarstellung

S =

−2 + λ 1 − λ

0

 + µ ·

 2 λ

−λ 1

 =

−2 + λ + µ · 2 λ 1 − λ + µ · (−λ)

µ

 f¨ ur ein µ ∈ R und gen¨ ugt als Punkt von E der Ebenengleichung, also

(−2 + λ + µ · 2 λ) + 2 · (1 − λ + µ · (−λ)) = −1 ⇐⇒ λ = 1, und wir erhalten:

• F¨ ur λ 6= 1 sind G

λ

und E ohne gemeinsamen Punkt.

• F¨ ur λ = 1 erf¨ ullt jeder Punkt auf G

1

(unabh¨ angig von µ ∈ R ) die Gleichung von E, es ist also G

1

⊆ E und damit G

1

∩ E = G

1

.

7.5 a) Die Ebene E durch die drei Punkte A, B und C besitzt den Tr¨ agerpunkt

t = A =

 1 0

−1

(6)

und den beiden (offensichtlich linear unabh¨ angigen) Richtungsvektoren u

1

= B − A =

 0 1

−2

 und u

2

= C − A =

−1 1

−3

 und folglich die Parameterdarstellung

E = t + R · u

1

+ R · u

2

=

 1 0

−1

 + R ·

 0 1

−2

 + R ·

−1 1

−3

 . Mit dem Normalenvektor

e u

E

= u

1

× u

2

=

 0 1

−2

 ×

−1 1

−3

 =

−1 2 1

 ergibt sich f¨ ur die Ebene E die Gleichung

e u

E

◦ x = u e

E

◦ t, also − x

1

+ 2 x

2

+ x

3

= −2, wegen k e u

E

k = √

6 und e u

E

◦ t < 0 also die Hessesche Normalform

−x

1

+ 2 x

2

+ x

3

+ 2

− √

6 = 0 bzw. x

1

− 2 x

2

− x

3

− 2

√ 6 = 0.

Damit ist

d(D, E) =

0 − 2 · 1 − (−

52

) − 2

√ 6

=

32

√ 6

= 3 2 √

6 .

b) Die Lotgerade durch den Punkt D zur Ebene E besitzt den Tr¨ agerpunkt t

`

= D und den Richtungsvektor u

`

= e u

E

, also die Parameterdarstellung

` = t

`

+ R · u

`

=

 0 1

52

 + R ·

−1 2 1

 . F¨ ur den Schnittpunkt L = ` ∩ E gilt

L =

−λ 1 + 2λ

52

+ λ

 ∈ `

f¨ ur ein geeignetes λ ∈ R , und wegen L ∈ E ergibt sich

−1 · (−λ) + 2 · (1 + 2λ) + 1 · (− 5

2 + λ) = −2, also λ = − 1 4 , und damit

L =

1 41

2114

 .

(7)

7.6 Im euklidischen R

3

sind die folgenden drei Geraden zu betrachten:

• Die Gerade L

1

ist als Schnittmenge der beiden Ebenen

E

1

: x + y − z = 1 und E

2

: 2 x − y − 2 z = −1 gegeben und stellt daher die L¨ osungsmenge des linearen Gleichungssystems

x + y − z = 1 2 x − y − 2 z = −1 dar.

• Die Gerade L

2

ist ¨ uber ihre Parameterdarstellung

 1 2 − t

t

 | t ∈ R

 gegeben.

• Die Gerade L

3

ist als Verbindungsgerade der beiden Punkte q

1

=

 0 3

−2

 und q

2

=

−2

−1 0

gegeben, besitzt demnach mit dem Tr¨ agerpunkt q

1

und dem Richtungsvektor u = q

2

− q

1

die Parameterdarstellung

q

1

+ R · u =

 0 3

−2

 + R ·

−2

−4 2

 =

−2 s 3 − 4 s

−2 + 2 s

 | s ∈ R

 . Im folgenden st¨ utzen wir uns auf diese Darstellungen f¨ ur die drei Geraden.

a) Wir zeigen, daß sich sich die Geraden paarweise schneiden und bestimmen die drei Schnittpunkte:

• F¨ ur einen gemeinsamen Punkt p

1

von L

2

und L

3

gilt

 1 2 − t

t

 = p

1

=

−2 s 3 − 4 s

−2 + 2 s

 ,

was genau f¨ ur s = −

12

und t = −3 erf¨ ullt ist; damit schneiden sich die beiden Geraden L

2

und L

3

im Punkt p

1

=

 1 5

−3

.

• Der Punkt p

2

=

−2 s 3 − 4 s

−2 + 2 s

 von L

3

mit s ∈ R liegt genau dann auch auf L

1

, wenn

(−2 s) + (3 − 4 s) − (−2 + 2 s) = 1

2 (−2 s) − (3 − 4 s) − 2 (−2 + 2 s) = −1

(8)

gilt, was genau f¨ ur s =

12

erf¨ ullt ist; damit schneiden sich die beiden Geraden L

1

und L

3

im Punkt p

2

=

−1 1

−1

.

• Der Punkt p

3

=

 1 2 − t

t

 von L

2

mit t ∈ R liegt genau dann auch auf L

1

, wenn

1 + (2 − t) − t = 1 2 · 1 − (2 − t) − 2 t = −1

gilt, was genau f¨ ur t = 1 erf¨ ullt ist; damit schneiden sich die beiden Geraden L

1

und L

2

im Punkt p

3

=

 1 1 1

.

b) Wir betrachten das Dreieck ∆ ⊆ R

3

mit den Eckpunkten p

1

, p

2

, p

3

. Die beiden Richtungsvektoren

u = p

1

− p

2

=

 1 5

−3

 −

−1 1

−1

 =

 2 4

−2

 und

v = p

3

− p

2

=

 1 1 1

 −

−1 1

−1

 =

 2 0 2

 von p

2

zu p

1

bzw. p

3

sind gem¨ aß

u ◦ v = 2 · 2 + 4 · 0 + (−2) · 2 = 0

orthogonal, so daß im Eckpunkt p

2

ein rechter Innenwinkel δ

2

=

π2

= 90

vorliegt. F¨ ur den Fl¨ acheninhalt F

des rechtwinkligen Dreiecks ∆ ergibt sich damit

F

= 1

2 · kuk · kvk = 1 2 ·

2 ·

 1 2

−1

| {z }

=2√ 6

·

2 ·

 1 0 1

| {z }

=2√ 2

= 2 √

12 = 4 √ 3.

F¨ ur den Innenwinkel δ

1

im Eckpunkt p

1

gilt tan δ

1

= Gegenkathete

Ankathete = kvk

kuk = 2 √ 2 2 √

6 = 1

√ 3

und damit δ

1

=

π6

= 30

, so daß sich ¨ uber die Innenwinkelsumme im Dreieck f¨ ur den Innenwinkel δ

3

im Eckpunkt p

3

dann

δ

3

= π − (δ

1

+ δ

2

) = π − π 6 + π

2

= π

3 = 60

ergibt.

(9)

7.7 a) F¨ ur die im euklidischen Raum ( R

3

, ◦) gegebenen Punkte A =

 1 3 5

 , B =

 2 2 1

 und C =

 5 5 1

 gilt

u

1

= A − B =

−1 1 4

 und u

2

= C − B =

 3 3 0

 ; damit ist das Dreieck ∆ABC wegen

d(A, B) = ku

1

k = p

(−1)

2

+ 1

2

+ 4

2

= 3 √ 2 d(B, C) = ku

2

k = √

3

2

+ 3

2

+ 0

2

= 3 √ 2 gleichschenklig und wegen

u

1

◦ u

2

= −3 + 3 + 0 = 0

auch rechtwinklig (mit dem rechten Winkel bei der Ecke B ). Mit dem Punkt D = A + u

2

=

 1 3 5

 +

 3 3 0

 =

 4 6 5

 ist dann ABCD ein Quadrat.

b) Die Ebene E, in der das Quadrat ABCD liegt, besitzt den Tr¨ agerpunkt B sowie gem¨ aß Teilaufgabe a) die beiden linear unabh¨ angigen Richtungs- vektoren u

1

und u

2

, wegen

u

1

× u

2

=

−1 1 4

 ×

 3 3 0

 =

−12 12

−6

 = −6 · e u mit e u =

 2

−2 1

 also den Normalenvektor u, und damit die Gleichung e

u e ◦ x = u e ◦ B bzw. 2 x

1

− 2 x

2

+ x

3

= 1.

Das Quadrat ABCD besitzt den Mittelpunkt M =

12

(A + C) = 1

2 ·

 6 8 6

 =

 3 4 3

 ,

so dass sich f¨ ur die Lotgerade ` zu E durch M , also mit dem Tr¨ agerpunkt M und dem Richtungsvektor e u, die Parameterdarstellung

` = M + R · e u =

 3 4 3

 + R ·

 2

−2 1

ergibt.

(10)

c) Alle Punkte S auf der Geraden ` sind von der Gestalt S =

 3 4 3

 + λ ·

 2

−2 1

 =

3 + 2 λ 4 − 2 λ 3 + λ

f¨ ur einen Parameter λ ∈ R . Die Pyramide mit der quadratischen Grund- fl¨ ache ABCD und der Spitze S besitzt das Volumen

V = 1

3 · F

ABCD

· h mit h = d(S, E);

das Quadrat ABCD hat nun gem¨ aß a) die Seitenl¨ ange ku

1

k = 3 √ 2 und damit dem Inhalt F

ABCD

= (3 √

2)

2

= 18, und f¨ ur die H¨ ohe h = d(S, E) ergibt sich mit der Hesseschen Normalform

E : 2 x

1

− 2 x

2

+ x

3

− 1

3 = 0

der Ebene E (wobei k e uk = p

2

2

+ (−2)

2

+ 1

2

= 3 eingeht) h = d(S, E) =

2 (3 + 2 λ) − 2 (4 − 2 λ) + (3 + λ) − 1 3

=

(6 + 4 λ) − (8 − 4 λ) + (3 + λ) − 1 3

=

9 λ 3

= |3 λ| = 3 |λ| . Insgesamt erh¨ alt man

V = 1

3 · F

ABCD

· h = 1

3 · 18 · 3 |λ| = 18 |λ|

und damit

V = 36 ⇐⇒ 18 |λ| = 36 ⇐⇒ |λ| = 2 ⇐⇒ λ = ±2, also die beiden Punkte

S

1

=

 7 0 5

 und S

2

=

−1 8 1

 .

7.8 a) Die Ebene E

1

⊆ R

3

mit der Gleichung x +y = 1 besitzt den Normalenvektor e u

1

=

 1 1 0

 der L¨ ange k u e

1

k = √

1

2

+ 1

2

+ 0

2

= √

2; damit besitzt E

1

die Hessesche Normalform

x + y − 1

√ 2 = 0,

womit sich f¨ ur den Abstand d(0, E

1

) des Nullpunkts 0 =

 0 0 0

 von E

1

d(0, E

1

) =

0 + 0 − 1

√ 2

= 1

√ 2

ergibt.

(11)

b) Die Schnittgerade L = E

1

∩ E

2

ist genau die L¨ osungsmenge des linearen Gleichungssystems

x + y = 1

y + z = 1 wodurch sich

L = t + R · u mit t =

 0 1 0

 und u =

 1

−1 1

ergibt. Der Fußpunkt x

0

des Lotes ` vom Nullpunkt 0 =

 0 0 0

 auf die Gerade L besitzt (als Punkt von L) die Gestalt

x

0

= t + λ · u =

 λ 1 − λ

λ

 f¨ ur ein geeignetes λ ∈ R ; damit ist

x

0

− 0 =

 λ 1 − λ

λ

 −

 0 0 0

 =

 λ 1 − λ

λ

ein Richtungsvektor der Lotgeraden `, der allerdings auf dem Richtungsvek- tor u der Geraden L senkrecht stehen muß. Aus

0 = u ◦ (x

0

− 0) = 1 · λ + (−1) · (1 − λ) + 1 · λ = −1 + 3 λ ergibt sich λ =

13

und damit x

0

=

1 32 31 3

 . Damit ergibt sich f¨ ur den Abstand d(0, L) des Nullpunkts 0 von der Geraden L

d(0, L) = d(0, x

0

) = kx

0

− 0k =

1 32 31 3

=

= 1 3 ·

 1 2 1

= 1 3 · √

1

2

+ 2

2

+ 1

2

= 1 3

√ 6.

7.9 a) Die gegebene Ebene E

1

im R

3

durch die Punkte a =

 1

−1 2

 , b =

 2 0

−1

 , c =

 0 2 1

 besitzt den Tr¨ agerpunkt a sowie die beiden Richtungsvektoren

u

1

= b − a =

 1 1

−3

 und u

2

= c − a =

−1 3

−1

(12)

und folglich die Parameterdarstellung E

1

=

 1

−1 2

 + R ·

 1 1

−3

 + R ·

−1 3

−1

 . Ferner ist

u

1

× u

2

=

 1 1

−3

 ×

−1 3

−1

 =

 8 4 4

 = 4 · u e mit e u =

 2 1 1

 , so daß sich f¨ ur die Ebene E

1

die Gleichung

u e ◦ x = e u ◦ a, also 2 x

1

+ x

2

+ x

3

= 3 ergibt; des weiteren besitzt E

1

wegen

k e uk =

 2 1 1

= √

2

2

+ 1

2

+ 1

2

= √ 6 und e u ◦ a = 3 > 0 die Hessesche Normalform

E

1

: 2 x

1

+ x

2

+ x

3

− 3

√ 6 = 0;

damit ergibt sich f¨ ur den Abstand des Punktes r =

 5 2 0

 von der Ebene E

1

d(r, E

1

) =

2 · 5 + 2 + 0 − 3

√ 6

= 9

√ 6 = 3 2

√ 6.

b) Die gegebene Ebene E

2

mit Tr¨ agerpunkt q =

−1

−2 3

 und Normalenvektor

v =

 2 2

−1

 der L¨ ange kv k = p

2

2

+ 2

2

+ (−1)

2

= √ 9 = 3 besitzt die Gleichung

v ◦ x = v ◦ q, also 2 x

1

+ 2 x

2

− x

3

= −9 sowie wegen v ◦ q = −9 < 0 die Hessesche Normalform

E

2

: − 2 x

1

+ 2 x

2

− x

3

+ 9

3 = 0;

damit ergibt sich f¨ ur den Abstand des Punktes r =

 5 2 0

 von der Ebene E

2

d(r, E

2

) =

− 2 · 5 + 2 · 2 − 0 + 9 3

=

− 23 3

= 23

3 .

(13)

7.10 a) Zur gegebenen Matrix A =

1 −2 1

−1 2 0 2 −4 1

 ∈ R

3×3

betrachten wir die zugeh¨ orige lineare Abbildung `

A

: R

3

→ R

3

, `

A

(x) = A·x;

das Bild U von `

A

stimmt mit dem Spaltenraum von A ¨ uberein. Wegen A =

1 −2 1

−1 2 0 2 −4 1

II+I III−2I

1 −2 1

0 0 1

0 0 −1

I−II III+II

1 −2 0

0 0 1

0 0 0

ist dim(U ) = Rang(A) = 2, also U eine (Ursprungs–)Ebene in R

3

; mit den beiden gebundenen Variablen x

1

und x

3

kann

s

1

=

 1

−1 2

 und s

3

=

 1 0 1

 als Basis von U = Bild(`

A

) gew¨ ahlt werden.

b) Die Ebene U durch den Ursprung 0 besitzt gem¨ aß a) die beiden linear un- abh¨ angigen Richtungsvektoren s

1

und s

3

, folglich also den Normalenvektor

e u = s

1

× s

3

=

 1

−1 2

 ×

 1 0 1

 =

−1 1 1

 und damit die Gleichung

u e ◦ x = e u ◦ 0 bzw. − x

1

+ x

2

+ x

3

= 0.

Der gesuchte Punkt u ∈ U, der dem gegebenen Punkt v =

 1 0 2

 ∈ R

3

am n¨ achsten liegt, ist der Lotfußpunkt von v auf U. Die Lotgerade ` von v auf U besitzt den Tr¨ agerpunkt v und den Richtungsvektor e u, also die Parameterdarstellung

` =

 1 0 2

| {z }

=v

+ R

−1 1 1

| {z }

=ue

;

der Lotfußpunkt u hat also die Gestalt u =

 1 0 2

 + λ ·

−1 1 1

 =

 1 − λ

λ 2 + λ

 ∈ ` f¨ ur ein λ ∈ R , und wegen u ∈ U ergibt sich

−(1 − λ) + λ + (2 + λ) = 0 bzw. 1 + 3λ = 0 bzw. λ = − 1 3 . Damit ist u =

4 3

13

5 3

.

(14)

c) Es gilt

d(v, U ) = d(v, u) = ku − vk =

1 3

13

13

= r 3

9 = 1 3

3 = 1

√ 3 .

7.11 a) Der Durchschnitt E

1

∩ E

2

der beiden im R

3

gegebenen Ebenen E

1

: x + y + z = 1 und E

2

: x − y + z = −1

besteht genau aus denjenigen Punkten des R

3

, deren Koordinaten x, y und z den beiden Ebenengleichungen gen¨ ugen, und stimmt daher mit der L¨ osungs- menge des inhomogenen linearen Gleichungssystems

E

1

: x + y + z = 1 E

2

: x − y + z = −1

¨ uberein; wir betrachten die zugeh¨ orige erweiterte Koeffizientenmatrix 1 1 1 1

1 −1 1 −1

II−I

1 1 1 1 0 −2 0 −2

1

2·II

1 1 1 1 0 1 0 1

I−II

1 0 1 0 0 1 0 1

und erhalten

E

1

∩ E

2

=

 0 1 0

 + R ·

−1 0 1

 =

−λ 1 λ

 | λ ∈ R

 .

b) Die beiden Ebenen E

1

und E

2

besitzen die Normalenvektoren

u e

1

=

 1 1 1

 und u e

2

=

 1

−1 1

 jeweils der L¨ ange k u e

1

k = √

3 = k u e

2

k = √

3 und damit die Hesseschen Normalformen

E

1

: x + y + z − 1

√ 3 = 0 und E

2

: x − y + z + 1

− √

3 = 0.

Der Punkt p =

 x y z

 ∈ R

3

besitzt damit von E

1

bzw. E

2

den Abstand

d(p, E

1

) =

x + y + z − 1

√ 3

bzw. d(p, E

2

) =

x − y + z + 1

− √ 3

,

(15)

und es gilt

p ∈ P ⇐⇒ d(p, E

1

) = d(p, E

2

)

⇐⇒

x + y + z − 1

√ 3

=

x − y + z + 1

− √ 3

⇐⇒ |x + y + z − 1|

√ 3 = |x − y + z + 1|

√ 3

⇐⇒ |x + y + z − 1| = |x − y + z + 1|

⇐⇒ x + y + z − 1 = ± (x − y + z + 1)

⇐⇒ x + y + z − 1 = x − y + z + 1

oder x + y + z − 1 = −x + y − z − 1

⇐⇒ 2 y = 2 oder 2 x + 2 z = 0

⇐⇒ y = 1 oder x + z = 0;

somit ist P die Vereinigung der beiden Ebenen E

3

: y = 1 und E

4

: x+ z = 0 mit den Parameterformen

E

3

=

 0 1 0

 + R ·

 1 0 0

 + R ·

 0 0 1

 und

E

4

=

 0 0 0

 + R ·

 0 1 0

 + R ·

−1 0 1

 . 7.12 a) Die gegebene Ebene

E :=

 x y z

 | x + 2 y + 3 z = 1

 , besitzt den Normalenvektor

e u

E

=

 1 2 3

 der L¨ ange k e u

E

k = √

1

2

+ 2

2

+ 3

2

= √ 14 und damit die Hessesche Normalform

E : x + 2 y + 3 z − 1

√ 14 = 0;

die gegebene Gerade G =

 1 1 1

 + r ·

 1

−2 1

 | r ∈ R

 . besitzt den Tr¨ agerpunkt t

G

und den Richtungsvektor u

G

mit

t

G

=

 1 1 1

 und u

G

=

 1

−2 1

 .

(16)

Wegen

u e

E

◦ u

G

= 1 · 1 + 2 · (−2) + 3 · 1 = 0

steht der Richtungsvektor u

G

der Geraden G senkrecht auf dem Norma- lenvektor e u

E

der Ebene E und ist demnach auch ein Richtungsvektor der Ebene E; folglich sind aber E und G parallel.

b) Da gem¨ aß a) die E und G parallel sind, stimmt der euklidische Abstand der Geraden G von der Ebene E mit dem euklidischen Abstand eines beliebigen Punktes auf G von E ¨ uberein; mit der bereits in a) bestimmten Hesseschen Normalform von E ergibt sich also

d(G, E) = d (t

G

, E) =

1 · 1 + 2 · 1 + 3 · 1 − 1

√ 14

= 5

√ 14 .

7.13 a) Die Gerade g

1

besitzt den Tr¨ agerpunkt t

1

= A =

 0 0 2

 sowie den Rich- tungsvektor u

1

= B − A =

 1 0 8

. Die Gerade g

2

besitzt den Tr¨ agerpunkt

t

2

= C =

 3 2 7

 sowie den Richtungsvektor u

2

= v =

 0 1 4

. Zun¨ achst ergibt sich f¨ ur die Ebene, die die Gerade g

1

enth¨ alt und parallel zur Geraden g

2

ist, die Parameterdarstellung

E = t

1

+ R · u

1

+ R · u

2

=

 0 0 2

 + R ·

 1 0 8

 + R ·

 0 1 4

 . Mit dem Normalenvektor

e u

E

= u

1

× u

2

=

 1 0 8

 ×

 0 1 4

 =

−8

−4 1

 ergibt sich f¨ ur E die Gleichung

u e

E

◦ x = u e

E

◦ t

1

, also − 8 x

1

− 4 x

2

+ x

3

= 2 b) Wegen k u e

E

k = p

(−8)

2

+ (−4)

2

+ 1

2

= √

81 = 9 und u e

E

◦ t

1

> 0 besitzt E die Hessesche Normalform

−8 x

1

− 4 x

2

+ x

3

− 2

9 = 0.

Da die Gerade g

2

parallel zur Ebene E ist, ergibt sich f¨ ur den Abstand zwischen g

2

und E

d(g

2

, E) = d(t

2

, E) =

−8 · 3 − 4 · 2 + 1 · 7 − 2 9

=

−27 9

= 3.

(17)

Die Ebene E zerlegt den R

3

in zwei offene Halbr¨ aume, n¨ amlich E

0

=

x ∈ R

3

| u e

0

◦ (x − t

1

) < 0 und

E

1

=

x ∈ R

3

| u e

0

◦ (x − t

1

) > 0 . Wegen

e u

0

◦ (t

2

− t

1

) = −3 < 0 ist t

2

∈ E

0

und

u e

0

◦ (0 − t

1

) = − 2

9 < 0 ist 0 ∈ E

0

liegt die Gerade g

2

auf derselben Seite von E wie der Ursprung.

7.14 Im Vektorraum R

3

sind die beiden Geraden g = t

g

+ R · u

g

und h = R · u

h

mit

t

g

=

 0 1 5

 , u

g

=

 2 3 1

 und u

h

=

 1 1 1

 gegeben. Damit besitzt jeder Punkt p ∈ g die Gestalt

p = t

g

+ λ · u

g

=

 0 1 5

 + λ ·

 2 3 1

 =

 2 λ 1 + 3 λ

5 + λ

 f¨ ur ein λ ∈ R , und jeder Punkt q ∈ h besitzt die Gestalt

q = µ · u

h

= µ ·

 1 1 1

 =

 µ µ µ

 f¨ ur ein µ ∈ R . Die Annahme p = q f¨ uhrt zu den drei Bedingungen

2 λ = µ und 1 + 3 λ = µ und 5 + λ = µ, damit einerseits zu

1 + 3 λ = µ = 2 λ bzw. λ = −1 und andererseits zu

5 + λ = µ = 2 λ bzw. λ = 5,

insgesamt also zu einem Widerspruch; folglich sind p und q verschiedene Punkte, und f¨ ur den Richtungsvektor ihrer Verbindungsgeraden k gilt

u

k

= p − q =

 2 λ 1 + 3 λ

5 + λ

 −

 µ µ µ

 =

2 λ − µ 1 + 3 λ − µ

5 + λ − µ

 .

(18)

Dabei gilt

g⊥k ⇐⇒ u

g

◦ u

k

= 0

⇐⇒ 2 · (2 λ − µ) + 3 · (1 + 3 λ − µ) + 1 · (5 + λ − µ) = 0

⇐⇒ 4 λ − 2 µ + 3 + 9 λ − 3 µ + 5 + λ − µ = 0

⇐⇒ 14 λ − 6 µ + 8 = 0

⇐⇒ 7 λ − 3 µ + 4 = 0 und

h⊥k ⇐⇒ u

h

◦ u

k

= 0

⇐⇒ 1 · (2 λ − µ) + 1 · (1 + 3 λ − µ) + 1 · (5 + λ − µ) = 0

⇐⇒ 2 λ − µ + 1 + 3 λ − µ + 5 + λ − µ = 0

⇐⇒ 6 λ − 3 µ + 6 = 0

⇐⇒ µ = 2 λ + 2, was zu

7 λ − 3 · (2 λ + 2) + 4 = 0, also λ = 2, und damit µ = 6 f¨ uhrt. Die gesuchten Punkte sind folglich

p =

 4 7 7

 und q =

 6 6 6

 . 7.15 Es ist g

1

= t

1

+ R u

1

und g

2

= t

2

+ R u

2

mit

t

1

=

 1 2 3

 und u

1

=

 1 1 1

 sowie t

2

=

 5 2 2

 und u

2

=

 1

−1 2

 .

Da die Richtungsvektoren u

1

, u

2

linear unabh¨ angig sind, k¨ onnen die Geraden g

1

und g

2

nicht parallel sein, und die gemeinsame Lotgerade ` der Geraden g

1

und g

2

besitzt den Richtungsvektor

u

1

× u

2

=

 1 1 1

 ×

 1

−1 2

 =

 3

−1

−2

 ;

seien x

1

und x

2

die Lotfußpunkte auf g

1

und g

2

. Dabei besitzt x

1

(als Punkt von g

1

) die Gestalt

x

1

=

 1 2 3

 + τ ·

 1 1 1

mit einem geeigneten τ ∈ R , wodurch sich f¨ ur die gemeinsame Lotgerade

` = x

1

+ R · u e =

 1 2 3

 + τ ·

 1 1 1

 + R ·

 3

−1

−2

(19)

ergibt; folglich erh¨ alt man f¨ ur den Lotfußpunkt x

2

die Darstellungen

 1 2 3

 + τ ·

 1 1 1

 + λ ·

 3

−1

−2

| {z }

∈`

=

 5 2 2

 + µ ·

 1

−1 2

| {z }

∈g2

mit geeigneten Parametern λ, µ ∈ R und somit

1 3 −1

1 −1 1 1 −2 −2

 ·

 τ λ µ

 =

 4 0

−1

 . Wegen

1 3 −1 1 −1 1 1 −2 −2

4 0

−1

I↔III

1 −2 −2 1 −1 1 1 3 −1

−1 0 4

II−I III−I

1 −2 −2

0 1 3

0 5 1

−1 1 5

I+2II III−5II

1 0 4 0 1 3 0 0 −14

1 1 0

 erh¨ alt man µ = 0 sowie λ = 1 und τ = 1, so daß sich die Lotfußpunkte

x

1

=

 2 3 4

 und x

2

=

 5 2 2

 . ergeben. F¨ ur den Abstand der beiden Geraden gilt damit

d(g

1

, g

2

) = d(x

1

, x

2

) = kx

1

− x

2

k =

 3 1 2

= √ 14.

7.16 a) Es ist g

1

= t

1

+ R u

1

und g

2

= t

2

+ R u

2

mit t

1

=

 1

−4 6

 und u

1

=

 1 1

−1

 sowie t

2

=

−1 4 6

 und u

2

=

 1 2 3

 . Da die Richtungsvektoren u

1

, u

2

linear unabh¨ angig sind, k¨ onnen die Geraden g

1

und g

2

nicht parallel sein. Zudem gibt es unter der Annahme, daß sich g

1

und g

2

schneiden, Parameter α und β ∈ R mit

 1

−4 6

 + α ·

 1 1

−1

 =

−1 4 6

 + β ·

 1 2 3

 , was zum linearen Gleichungssystem

1 −1 1 −2

−1 −3

 α

β

=

−2 8 0

(20)

f¨ uhrt, das jedoch wegen

1 −1 1 −2

−1 −3

−2 8 0

II−I III+I

1 −1 0 −1 0 −4

−2 10

−2

III−4II

1 −1 0 −1 0 0

−2 10

−42

 keine L¨ osung besitzt. Folglich sind g

1

und g

2

windschief.

b) Die gemeinsame Lotgerade ` der Geraden g

1

und g

2

besitzt den Richtungs- vektor

u

1

× u

2

=

 1 1

−1

 ×

 1 2 3

 =

 5

−4 1

 ;

seien x

1

und x

2

die Lotfußpunkte auf g

1

und g

2

. Dabei besitzt x

1

(als Punkt von g

1

) die Gestalt

x

1

=

 1

−4 6

 + τ ·

 1 1

−1

mit einem geeigneten τ ∈ R , wodurch sich f¨ ur die gemeinsame Lotgerade

` = x

1

+ R · e u =

 1

−4 6

 + τ ·

 1 1

−1

 + R ·

 5

−4 1

 ergibt; folglich erh¨ alt man f¨ ur den Lotfußpunkt x

2

die Darstellungen

 1

−4 6

 + τ ·

 1 1

−1

 + λ ·

 5

−4 1

| {z }

∈`

=

−1 4 6

 + µ ·

 1 2 3

| {z }

∈g2

mit geeigneten Parametern λ, µ ∈ R und somit

1 5 −1

1 −4 −2

−1 1 −3

 ·

 τ λ µ

 =

−2 8 0

 . Wegen

1 5 −1

1 −4 −2

−1 1 −3

−2 8 0

II−I III+I

1 5 −1

0 −9 −1

0 6 −4

−2 10

−2

III·12 II↔III

1 5 −1

0 3 −2

0 −9 −1

−2

−1 10

III+3II

1 5 −1 0 3 −2 0 0 −7

−2

−1 7

 erh¨ alt man µ = −1, λ = −1 und τ = 2, so daß sich

x

1

=

 3

−2 4

 und x

2

=

−2 2 3

(21)

ergibt. F¨ ur die Lotgerade erh¨ alt man damit

` =

 3

−2 4

 + R ·

 5

−4 1

 . c) Es ist

d(g

1

, g

2

) = d(x

1

, x

2

) = kx

1

− x

2

k =

 5

−4 1

= √ 42.

7.17 F¨ ur die Gerade L im euklidischen R

3

durch die Punkte P

1

und P

2

ergibt sich die Parameterdarstellung L = t

L

+ R · u

L

mit

t

L

= P

1

=

 1 0

−1

 und u

L

= P

2

− P

1

=

 2 1 0

 −

 1 0

−1

 =

 1 1 1

 ; die Schnittgerade M = E

1

∩ E

2

ist genau die L¨ osungsmenge des homogenen linearen Gleichungssystems

x − z = 0

2 x + y = 0

und besitzt damit wegen 1 0 −1

2 1 0

0 0

II−2I

1 0 −1 0 1 2

0 0

die Parameterdarstellung M = t

M

+ R · u

M

mit t

M

=

 0 0 0

 und u

M

=

 1

−2 1

 .

Die gemeinsame Lotgerade G der Geraden L und M besitzt den Richtungsvektor u

L

× u

M

=

 1 1 1

 ×

 1

−2 1

 =

 3 0

−3

 bzw. e u =

 1 0

−1

 ;

seien L

0

und M

0

die Lotfußpunkte auf L und M . Dabei besitzt M

0

(als Punkt von M ) die Gestalt

M

0

=

 0 0 0

 + µ ·

 1

−2 1

 = µ ·

 1

−2 1

mit einem geeigneten µ ∈ R , wodurch sich f¨ ur die gemeinsame Lotgerade G = M

0

+ R · e u = µ ·

 1

−2 1

 + R ·

 1 0

−1

(22)

ergibt; folglich erh¨ alt man f¨ ur den Lotfußpunkt L

0

die Darstellungen µ ·

 1

−2 1

 + τ ·

 1 0

−1

| {z }

∈G

=

 1 0

−1

 + λ ·

 1 1 1

| {z }

∈L

mit geeigneten Parametern τ , λ ∈ R und somit

1 1 −1

−2 0 −1 1 −1 −1

 ·

 µ τ λ

 =

 1 0

−1

 . Wegen

1 1 −1 1

−2 0 −1 0 1 −1 −1 −1

II+2I III−I

1 1 −1 1

0 2 −3 2

0 −2 0 −2

III+II

1 1 −1 1 0 2 −3 2 0 0 −3 0

 erh¨ alt man λ = 0, τ = 1 und µ = 0, so daß sich

L

0

=

 1 0

−1

 und M

0

=

 0 0 0

 ergibt. F¨ ur den Abstand der Geraden L und M gilt damit

d(L, M) = d(L

0

, M

0

) = kL

0

− M

0

k =

 1 0

−1

= √ 2.

7.18 a) Ein lineares Gleichungssystem A · x = b, dessen L¨ osungsmenge eine Gerade g = t + R · u ⊆ R

3

ist, besteht aus mindestens zwei Gleichungen mit genau drei Unbestimmten. Wir ermitteln daher eine geeignete Koeffizientenmatrix A ∈ R

2×3

und eine geeignete rechte Seite b ∈ R

2

; dabei ist

• der Richtungsraum R · u von g der L¨ osungsraum des homogenen Glei- chungssystems A · x = 0 und

• der Tr¨ agerpunkt t von g eine beliebige partikul¨ are L¨ osung des inhomo- genen Gleichungssystems A · x = b.

Die lineare Gleichung a

1

· x + a

2

· y + a

3

· z = 0 besitzt genau dann die L¨ osung

 x y z

 =

 1 0 2

 ,

wenn a

1

· 1 + a

2

· 0 + a

3

· 2 = 0 gilt; dies f¨ uhrt auf das homogene lineare Gleichungssystem 1 0 2

0

mit den Basisl¨ osungen

 a

1

a

2

a

3

 =

 0 1 0

 und

 a

1

a

2

a

3

 =

−2 0 1

 .

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