Mathematik verstehen 7 Lösungsblatt Aufgabe 6.67
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- Ralf Steinmann
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1 Aufgabenstellung: Berechne die Schnittpunkte der e k1 und k mit den Mittelpunkten M1 bzw. M und den Radien r1 bzw. r a. k1: M1 3, 4, P 5, 3 k 1, k geht durch A 0 und B 4 0 r 5 M liegt im 1. Quadranten b. k 1 : x y 6x 6y 7 0 k : M m 0 m 0, M 1 M 34, P 5 0 k c. k 1 M 1 ist der Schnittpunkt der Geraden g 1 : x 0 und h: x 3y 1, P 5 5 k 1 ; k M ist der Schnittpunkt der Geraden g : y 0 und h, die Gerade t : 3x y 8 ist eine Tangente von k d. k 1 : x 3 y 6 ; k M liegt im 4. Quadranten auf der Geraden g : X M 1 t 1, M 1 M 80, r 34 Lösung der Aufgabe: ad a) Erstellt von Seite 1 von 16
2 Um die Schnittpunkte der e k1 und k berechnen zu können, müssen wir zunächst die Gleichungen der e berechnen. Für den k 1 setzen wir die Koordinaten des Mittelpunktes M 1 und des Punktes P in die gleichung ein und können damit den Radius r 1 berechnen. x m y n r r r 1 r 1 65 Für den k setzen wir die Koordinaten der Punkte A bzw. B und den Radius r in die gleichung ein. Wir erhalten zwei Gleichungen der Form: Erstellt von Seite von 16
3 m n 5 4 m n 5 4 4m m n m m n 5 Subtrahiert man nun die erste Gleichung von der zweiten Gleichung erhalten wir: 1 1m 0 und damit ergibt sich für m 1. Für die Berechnung der zweiten Koordinate n setzen wir m 1 in eine der beiden Gleichungen aus (1) ein: 4 4m m n n 5 n 16 n ±4 Da der Mittelpunkt von k im ersten Quadranten liegen soll, hat M die Koordinaten: M 1, 4 Damit haben wir nun die Gleichungen der e k1 und k bestimmt: k 1 : x 3 y 4 65 k : x 1 y 4 5 Nun wollen wir die Schnittpunkte der beiden e berechnen. Dazu verwenden wir die gleichungen x 3 y 4 65 x 1 y 4 5 x 6x 9 y 8y x x 1 y 8y 16 5 x 6x y 8y 40 x x y 8y 8 Erstellt von Seite 3 von 16
4 Subtrahiert man nun die zweite Gleichung von der ersten, erhält man: 8x 16y 3 x y 4 y 1 Setzen wir nun y in eine der gleichungen ein erhalten wir: x x 1 x 8 1 x 8 Löst man diese Gleichung nach Schnittpunkte S 1 und S : x auf, erhält man die x-koordinaten der beiden gesuchten x 1, ±4 Setzt man nun x 1, in Gleichung (4) ein, erhält man die y-koordinaten der Schnittpunkte. Insgesamt ergibt sich als Lösung: S 1 4, 0 S 4, 4 Erstellt von Seite 4 von 16
5 ad b) Bestimmung von Mittelpunkt M 1 und Radius r 1 von k 1 : Bestimmung der gleichung für k : x 6x y 6y 7 0 x 6x 9 y 6y x 3 y 3 x 3 y x 3 y 3 5 M 1 3 3, r 1 5 Der Mittelpunk M von k soll vom Mittelpunkt M 1 den Abstand 34 haben, d.h. alle Punkte, die von M 1 den Abstand 34 haben, liegen auf einem k mit Mittelpunk M 1 Erstellt von Seite 5 von 16
6 und Radius 34 : k : x m y n 34 Der Mittelpunk M soll die Koordinaten m 0 haben. Wir setzen diese Koordinaten in die gleichung ein und erhalten: x 3 y 3 34 m m 6m m 6m 16 0 m 1, 3 ± ± 5 3 ± 5 m 1 8 m Da m 0 sein soll, hat M die folgenden Koordinaten: M 0 Berechnung des Radius r : Der Punkt P 5 0 soll auf dem k liegen, d.h. es muss gelten: r PM M P o 3 Die Gleichung für den k lautet damit: k : x y 9 Erstellt von Seite 6 von 16
7 Berechnung der Schnittpunkte S 1 und S : k 1 : x 3 y 3 5 k : x y 9 x 6x 9 y 6y 9 5 x 4x 4 y 9} 10x 5 6y x 6y 5x 3y 1 x 3 5 x 1 5 x y 9 3 x y 9 3 x y 9 9y 54y 81 5y 5 34y 54y y 7 17 y y 1, 7 34 ± ± y y ± ± Erstellt von Seite 7 von 16
8 Berechnung von x 1, aus der Beziehung x 3 5 y 1 5 : x y x 3 5 y Die Schnittpunkte haben damit die Koordinaten: S , 4 17 S,3 Erstellt von Seite 8 von 16
9 ad c) Bestimmung von Mittelpunkt M 1 und Radius r 1 von k 1 : Der Mittelpunkt M 1 soll der Schnittpunkt der Geraden g 1 und h sein: Die Koordinaten von M 1 lauten: Berechnung von Radius r 1 : g 1 : x 0 h: x 3y 1 g 1 h: 3y 1 y 4 M Erstellt von Seite 9 von 16
10 r 1 P M Die Gleichung für k 1 lautet damit: k 1 : x y 4 6 Bestimmung der gleichung für k : Der Mittelpunkt M soll der Schnittpunkt der Geraden g und h sein: Die Koordinaten von M lauten: g : y 0 h: x 3y 1 g h: x 1 x 6 M 6 0 Die Gerade t : 3x y 8 soll eine Tangente des es k sein. Der Berührungspunkt Q errechnet sich als Schnittpunkt der Tangente t mit jener Geraden g 3, die durch den Mittelpunk M geht und normal zur Tangente t steht. Aus der Tangentengleichung bestimmen wir einen Normalvektor für die Gerade g 3 : n 3 n' Mit dem Vektor n' stellen wir die Gleichung der Geraden g 3 auf: Erstellt von Seite 10 von 16
11 Berechnung des Berührungspunktes Q : n ' X n ' M 3 1 y x x 3y 6 Der Berührungspunkt Q hat die Koordinaten: t : 3x y 8 g 3 : x 3y 6 3 3x y 8 3x 9y y y 1 x 3y 6 x x x 9 Q 9 1 Berechnung des Radius r : r Q M Die Gleichung für k lautet damit: k : x 6 y 10 Erstellt von Seite 11 von 16
12 Berechnung der Schnittpunkte S 1 und S : x y 8y 16 6 x 1x 36 y 10} 1x 36 8y x 8y 36 3x y 9 x 3 y 3 x y 4 6 y 3 3 y y 13 3 y 9 y 8y y 36y 81 9y 7y y 36y 9 0 y y y 1, ± ± ± ± 1 13 y y 3 Berechnung von x 1, aus der Beziehung x 3 y 1 3 : Erstellt von Seite 1 von 16
13 x 1 3 y x 3 y ,85 Die Schnittpunkte haben damit die Koordinaten: S , 3 13 S 5,3 Erstellt von Seite 13 von 16
14 ad d) Bestimmung von Mittelpunkt M 1 und Radius r 1 von k 1 : M 1 3, r 1 6 Bestimmung der gleichung für k : Der Mittelpunkt M soll auf der Geraden g: X M 1 t 1 liegen und von M 1 den Abstand 80 haben. Zur Bestimmung von M müssen wir also die Gerade g mit dem mit dem Mittelpunkt M 1 und dem Radius 80 schneiden: Erstellt von Seite 14 von 16
15 Berechnung der Punkte P 1 und P : g : X 3 k : x 3 y 80 g k : 3 t 3 t 80 t t 80 5t 80 t 16 t 1, ± 4 t 1 P t P t Da M im 4. Quadranten liegen soll, lauten seine Koordinaten: M 5 Mit M und r 34 lautet die Gleichung für k : k : x 5 y 34 Berechnung der Schnittpunkte S 1 und S : Erstellt von Seite 15 von 16
16 x 6x 9 y 8y 4 6 x 10x 5 y 4y 4 34} 16x 16y 8y 8 16x 8y 8 x y 1 y x 1 x 3 y 6 x 3 x 1 6 x 3 x 3 6 x 6x 4x 1x 9 6 5x 6x 8 0 x 6 5 x x 1, 3 5 ± ± ± 7 5 x x Berechnung von y 1, aus der Beziehung y x 1 : y 1 x ,6 y x Die Schnittpunkte haben damit die Koordinaten: S 1 4 5, 13 5 S,3 Erstellt von Seite 16 von 16
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