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Analytische Geometrie (Vektoren): Schnittpunkt Gerade-Kugel berechnen | V.06.08

Schnittpunkt einer Gerade mit einem Kreis: Schneidet man beides, erhält man normalerweise zwei Punkte [Die Gerade heißt dann Sekante]. Falls die Gerade die Gerade berührt, hat man einen einzigen Schnittpunkt [es wäre ein Berührpunkt, die Gerade heißt dann Tangente]. Falls die Gerade am Kreis vorbeiläuft gibt es natürlich keinen Schnittpunkt [die Gerade heißt Passante]. Rechnerisch geht es so: Man löst in der Geraden nach x2 auf [bzw. nach y] und dieses in die Kreisgleichung ein. Nun löst man die Klammern auf und kommt auf eine quadratische Gleichung, die man mit der p-q-Formel oder a-b-c-Formel löst. Je nachdem, ob diese keine, eine oder zwei Lösungen liefert, hat man keinen, einen oder zwei Schnittpunkte.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Schnittpunkt Ebene-Kugel berechnen, Beispiel 1 | V.06.09

Schnittkreis einer Ebene mit einer Kugel: Schneidet man eine Ebene mit einer Kugel, so erhält man als Schnittfläche einen Kreis. Leider gibt es im dreidimensionalen keine Gleichung für einen Kreis. Man muss also im Normalfall “nur” den Mittelpunkt und den Radius des Schnittkreises berechnen. Den Schnittkreismittelpunkt erhält man, indem man eine Lotgerade auf E aufstellt die durch den Kugelmittelpunkt geht und diese Lotgerade dann mit E schneidet. Mit Hilfe von Kugelradius, Abstand von Kugelmittelpunkt zu Ebene und Pythagoras erhält man den Schnittkreisradius.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Abstand Gerade-Kugel berechnen, Beispiel 1 | V.06.12

Abstand Gerade-Kugel berechnet man, indem man das Ganze sofort auf Abstand Punkt-Gerade zurückführt. Man berechnet also den Abstand vom Mittelpunkt zur Gerade (mit welcher Methode auch immer) und zieht den Kugelradius ab. Ist der Abstand kleiner als der Kugelradius, so schneiden sich Kugel und Gerade. Sind beide genau gleich, berühren sich Gerade und Kugel. Die Gerade ist also eine Tangente. Ist der Abstand größer als der Kugelradius, läuft die Gerade neben der Kugel vorbei. Die Differenz zwischen dem Abstand Gerade-Kugelmittelpunkt und Kugelradius ist natürlich der Abstand von der Kugel zur Geraden.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Abstand Gerade-Kugel berechnen, Beispiel 3 | V.06.12

Abstand Gerade-Kugel berechnet man, indem man das Ganze sofort auf Abstand Punkt-Gerade zurückführt. Man berechnet also den Abstand vom Mittelpunkt zur Gerade (mit welcher Methode auch immer) und zieht den Kugelradius ab. Ist der Abstand kleiner als der Kugelradius, so schneiden sich Kugel und Gerade. Sind beide genau gleich, berühren sich Gerade und Kugel. Die Gerade ist also eine Tangente. Ist der Abstand größer als der Kugelradius, läuft die Gerade neben der Kugel vorbei. Die Differenz zwischen dem Abstand Gerade-Kugelmittelpunkt und Kugelradius ist natürlich der Abstand von der Kugel zur Geraden.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Abstand Kugel-Kugel berechnen | V.06.14

Abstand Kugel-Kugel: Mal wieder was Einfaches. Man berechnet den Abstand der beiden Mittelpunkte und vergleicht diesen mit der Summe bzw. der Differenz beider Kugelradien. Ist der Abstand der Mittelpunkt größer als die Summe der Radien, liegen die Kugeln nebeneinander, der Abstand der Kugeln berechnet sich über Abstand der Kugelmittelpunkte, abzüglich der beiden Radien. Ist der Abstand der Mittelpunkte kleiner als die Differenz der Radien, liegt eine Kugel innerhalb der zweiten. Den Abstand der Kugeln berechnet man, indem man vom größeren Radius den kleinen Radius sowie den Abstand der Mittelpunkte abzieht. In allen anderen Fällen schneiden (oder berühren) sich die Kugeln.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Extremwertaufgaben im Alltag: Zylinder in einer Kugel, Volumen einer Schachtel, Beispiel 1 | A.21.02

Bei einigen Typen von Extremwertaufgaben sind keine Funktionen im Spiel. (Z.B. steckt ein Zylinder in einer Kugel, der dann maximales Volumen haben soll. Oder das Volumen einer Schachtel soll maximal werden, die aus einem Karton gebastelt wird oder …). Es geht also um Anwendungen aus dem “Alltag”. Ich nenne diese reale Anwendungen, aber eigentlich haben sie keinen richtigen, offiziellen Namen. Übrigens vereinfacht bei diesen Aufgaben sehr häufig der Strahlensatz die Rechnung sehr stark. (Also: Strahlensatz am Start?!?)


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Analytische Geometrie (Vektoren): Kreis und Kugel berechnen mit Kreisgleichung und Kugelgleichung | V.06

Eine Kreisgleichung lautet: (x1-m1)^2+(x2-m2)^2=r^2 und eine Kugelgleichung lautet: (x1-m1)^2+(x2-m2)^2+(x3-m3)^2=r^2. Man kann ganz viele, lustige Sachen damit machen. Bemerkung: Ein Kreis oder eine Kugel ist in Mathe immer ein Hohlkreis bzw. eine Hohlkugel (das Innere gehört also nie dazu).


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Analytische Geometrie (Vektoren): Schnittpunkt Gerade-Kugel berechnen, Beispiel 2 | V.06.08

Schnittpunkt einer Gerade mit einem Kreis: Schneidet man beides, erhält man normalerweise zwei Punkte [Die Gerade heißt dann Sekante]. Falls die Gerade die Gerade berührt, hat man einen einzigen Schnittpunkt [es wäre ein Berührpunkt, die Gerade heißt dann Tangente]. Falls die Gerade am Kreis vorbeiläuft gibt es natürlich keinen Schnittpunkt [die Gerade heißt Passante]. Rechnerisch geht es so: Man löst in der Geraden nach x2 auf [bzw. nach y] und dieses in die Kreisgleichung ein. Nun löst man die Klammern auf und kommt auf eine quadratische Gleichung, die man mit der p-q-Formel oder a-b-c-Formel löst. Je nachdem, ob diese keine, eine oder zwei Lösungen liefert, hat man keinen, einen oder zwei Schnittpunkte.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Schnittpunkt Ebene-Kugel berechnen, Beispiel 3 | V.06.09

Schnittkreis einer Ebene mit einer Kugel: Schneidet man eine Ebene mit einer Kugel, so erhält man als Schnittfläche einen Kreis. Leider gibt es im dreidimensionalen keine Gleichung für einen Kreis. Man muss also im Normalfall “nur” den Mittelpunkt und den Radius des Schnittkreises berechnen. Den Schnittkreismittelpunkt erhält man, indem man eine Lotgerade auf E aufstellt die durch den Kugelmittelpunkt geht und diese Lotgerade dann mit E schneidet. Mit Hilfe von Kugelradius, Abstand von Kugelmittelpunkt zu Ebene und Pythagoras erhält man den Schnittkreisradius.


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Analytische Geometrie (Vektoren): Schnittpunkt Kugel-Kugel berechnen, Beispiel 1 | V.06.10

Schnittkreis zweier Kugeln: Beim Schnitt Kugel-Kugel entsteht ein Schnittkreis. Im 3D gibt es keine Gleichung für einen Kreis, also muss man üblicherweise Mittelpunkt und Radius des Schnittkreises berechnen. Dafür wendet man einen Trick an: Man löst ALLE Klammern aus beiden Kugelgleichungen auf (falls sie es nicht schon sind) und zieht die Kugelgleichungen von einander ab. Nun erhält man umgehend eine Koordinatengleichung der Ebene, in welcher der Schnittkreis liegt. Nun rechnet man mit dieser Schnittkreisebene und einer von den beiden Kugelgleichungen weiter, führt das Ganze also auf: “Schnitt Ebene-Kugel” zurück.


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