TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Zentrum Mathematik

Ähnliche Dokumente
TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Zentrum Mathematik

Technische Universität München Zentrum Mathematik

Projektive Geometrie 2

Geometriekalküle. Rechnen mit projektiver Geometrie. Michael Schmid. 3. März Berufliche Oberschule Rosenheim

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Zentrum Mathematik

Landeswettbewerb Mathematik Baden-Württemberg

Abitur 2010 Mathematik LK Geometrie V

Technische Universität München Zentrum Mathematik

Abitur 2016 Mathematik Geometrie V

Technische Universität München Zentrum Mathematik

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Zentrum Mathematik

3D-Transformationen. Kapitel Translation Skalierung

1 Grundlagen der analytischen Geometrie

Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Klausuren Jahrgangsstufe 11, 1. Halbjahr

Technische Universität München Fakultät für Mathematik. Klausur. Geometriekalküle. Modul MA März 2018, 16:00 17:00 Uhr

Technische Universität München Fakultät für Mathematik. Klausur. Geometriekalküle. Modul MA März 2017, 08:30 09:30 Uhr

Merkhilfe Vektorrechnung

Archimedische Spirale 3

Proseminar Einführung in die Mathematik 1 WS 2010/11 2. Dezember 2010 Lösungen

Abitur 2013 Mathematik Geometrie V

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

13 Lösen von Gleichungssystemen

Aufgabe A6/13. Aufgabe A7/13. Aufgabe A6/14

9. Landeswettbewerb Mathematik Bayern

Rechnen mit Vektoren. 1. Vektoren im Koordinatensystem Freie Vektoren in der Ebene

Einführung in die Algebra

4 Ein wenig analytische Geometrie. 4.1 Einige Grundgebilde der projektiven Geometrie Geraden in homogenen Koordinaten

Abitur 2011 G8 Abitur Mathematik Geometrie V

2. Isometrien oder Kongruenzabbildungen

Technische Universität München Zentrum Mathematik

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Städtewettbewerb Frühjahr 2012 Lösungsvorschläge

Abitur 2011 G8 Musterabitur Mathematik Geometrie VI

Geometrie in der Ebene und im Raum

Die Abbildung (x 1 ;x 2 ) 7! (x 1 ;x 2 ; 1) ist eine Einbettung von R 2 in P 2 (als Mengen). Punkte mit z 6= 0 sind endliche" Punkte mit inhomogenen K

Technische Universität München Zentrum Mathematik

Lagebeziehung zweier Geraden GTR

Elemente der Algebra

(Quelle Landungsbildungsserver BW) (Quelle Landungsbildungsserver BW)

Abitur 2017 Mathematik Geometrie VI

Aufgabe A7/08 Die Ebene geht durch die Punkte 1,5 0 0,!0 3 0 und " Untersuchen

Analytische Geometrie II

Klausur zum Modul 2 im SS 2004 und Klausur zur Einführung in die Geometrie im SS 2004

Abitur 2010 Mathematik GK Geometrie VI

Übung Elementarmathematik im WS 2012/13. Lösung zum Klausurvorbereitung IV

4. Parallelität ohne Metrik

Philipp-Melanchthon-Gymnasium Bautzen Lk Mathematik Kl. 11. Schwerpunkt: Aufgaben ohne HM Abitur Sachsen

Vektorrechnung Einführung

5. Gegenseitige Lage von Geraden und Ebenen. 5.1 Gegenseitige Lage zweier Geraden (siehe Kap. 3.2) 5.2: Schnittpunkt einer Geraden mit einer Ebene

Vektorrechnung Einführung

Elemente der Mathematik - Sommer 2016

A Vektorrechnung. B Geraden und Ebenen

Pflichtteilaufgaben zu Gegenseitige Lage, Abstand, Baden-Württemberg

Das Wichtigste auf einen Blick

Inhaltsverzeichnis Bausteine Analytische Geometrie

Aus folgt: 1; 3 Eingesetzt in : $$$$$ #! * 1 + ; # $$$$$$$ # $$$$$ 2 $$$$$! * 3 Der Bildpunkt hat die Koordinaten

Technische Universität München Zentrum Mathematik

Gruppenarbeit: Lagebeziehungen Gruppe A

5A. Von der Perspektive zu den projektiven Ebenen.

3D-Transformationen. Kapitel Translation Skalierung

5. Geraden und Ebenen im Raum 5.1. Lineare Abhängigkeit und Unabhängigkeit von Vektoren

Analytische Geometrie I

Übungsklausur zur Vorlesung Lineare Algebra und Analytische Geometrie I

HTW MST Mathematik 1. Vektorrechnung. Zu Aufgabe 1. Zu Aufgabe Lösungen zu Übungsblatt 5. Lösung: Lösung: = 39

Mathematik für Naturwissenschaftler II SS 2010

A c. C a. C b. P A b. A B c. B a. Über Parallelen zu Dreiecksseiten Darij Grinberg

H. Gruber, R. Neumann. Erfolg im Mathe-Abi. Übungsbuch für den Pflichtteil Baden-Württemberg mit Tipps und Lösungen

eingesetzt in die Ebenengleichung

Übungen 4 Gerade, Ebene - Kurze Aufgaben Ebene: Spurpunkte, Spurgerade, Achsenabschnittsform Gerade, Ebene U04 Übungen 4 - Seite 1 (von 5)

14 MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN DER COMPUTERGEOMETRIE. x y

6. Analytische Geometrie : Geraden in der Ebene


9. Übung zur Linearen Algebra I -

Grundsätzliches Produkte Anwendungen in der Geometrie. Vektorrechnung. Fakultät Grundlagen. Juli 2015

Algebra 3.

Aufgabe 1 Zwei Kreise und k mit gleichem Radius schneiden sich in den Punkten A und B. Der Kreis um A

Zusammenfassung der Analytischen Geometrie

4. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

2. Mathematik Olympiade 1. Stufe (Schulolympiade) Klasse 11 Saison 1962/1963 Aufgaben und Lösungen

Mathematische Probleme, SS 2019 Donnerstag $Id: dreieck.tex,v /04/12 17:03:16 hk Exp $

12 Der Abstand eines Punktes von einer Geraden Seite 1 von Der Abstand eines Punktes von einer Geraden

Aufgaben zu Lagebeziehungen Gerade-Ebene und Ebene-Ebene

2. Kongruenzsätze (SWS und SSS) ohne Parallelen.

FOS 1994, Ausbildungsrichtungen Technik und Agrarwirtschaft Analytische Geometrie, Aufgabengruppe B I

Mathematik LK 12 M1, 3. KA LA I / Analytische Geometrie Lösung

Übungsaufgaben zu Kapitel 1 und 2

Gleiche Vorgehensweise wie beim Einheitsvektor in der Ebene (also wie bei 2D).Beispiel:

x = r cos ', y = r sin ',wobei 0 6 r 6 2, z = z und somit

Lk Mathematik 12 Analytische Geometrie Arbeitsblatt A.1

b 1 b 2 b 3 = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3

entspricht der Länge des Vektorpfeils. Im R 2 : x =

Abituraufgaben bis 2018 Baden-Württemberg. Geraden, Ebenen, Abstand

Vektorrechnung. 10. August Inhaltsverzeichnis. 1 Vektoren 2. 2 Grundlegende Rechenoperationen mit Vektoren 3. 3 Geometrie der Vektoren 5

Transkript:

TEHNISHE UNIVERSITÄT MÜNHEN Zentrum Mathematik Prof. Dr. Dr. Jürgen Richter-Gebert, Martin von Gagern Geometriekalküle WS 00/ Lösungen u ufgabenblatt (0. Oktober 00) Präsenaufgaben ufgabe. Dualität. Gegeben seien die folgenden drei iome. (i) Zwei Geraden schneiden sich in genau einem Punkt. (ii) Durch wei Punkte geht genau eine Gerade. (iii) Es gibt vier paarweise verschiedene Punkte,,, D, so dass keine drei von ihnen auf einer Geraden liegen. Zeigen Sie, dass wenn die drei iome vorausgesett werden, der folgende Sat gilt: Es gibt vier paarweise verschiedene Geraden a, b, c, d, so dass sich keine drei von ihnen in einem Punkt schneiden. Lösung: In diesem eweis seien,,, D die vier Punkte aus iom (iii). Das Symbol stellt die Operation join, also die Verbindungsgerade weier Punkte dar, das Symbol entsprechend die Operation meet, also den Schnittpunkt weier Geraden. ehauptung: die folgenden vier Geraden erfüllen die im Sat angegebenen edingungen. a = b = c = D d = D eweis: Eisten: Nach iom (ii) eistieren die angegebenen Geraden, und sind eindeutig festgelegt. Paarweise verschieden: ngenommen, wei Geraden seien identisch. Dann folgt daraus sofort, dass mindestens drei der Punkte,,, D auf dieser Geraden liegen müssten. Das ist ein Widerspruch u iom (iii). lso sind die Geraden paarweise verschieden. Keine drei schneiden sich in einem Punkt: ngenommen, dass drei der Geraden durch einen Punkt gehen. Ohne eschränkung der llgemeinheit seien dies die Geraden a, b und c. Die Geraden a und b haben nach ihrer Definition den Punkt gemeinsam, und nach iom (i) keine weiteren gemeinsamen Punkte. nalog haben b und c genau Punkt gemeinsam. Da und nach iom (iii) verschieden sind, gibt es keinen gemeinsamen Punkt, durch den alle drei Geraden verlaufen.

Keine drei schneiden sich in einem Punkt (lternative): Statt sich o..d.. auf drei Geraden u konentrieren, kann man auch systematisch alle Schnittpunkte untersuchen. Wir bestimmen unächst alle sechs Schnittpunkte a b, a c, a d, b c, b d und c d dieser vier Geraden. a b = ( ) ( ) = wegen auf a und auf b (nach Definition) und Schnittpunkt eindeutig nach iom (i). Mit analogem rgument gilt a D a d = ( ) (D ) = c b c = ( ) ( D) = c d = ( D) (D ) = D P b d Die beiden übrigen Schnittpunkte seien mit P und P beeichnet. P a c = ( ) ( D) = P Skie ur Illustration b d = ( ) (D ) = P Nun ist noch u eigen, dass alle diese sechs Schnittpunkte voneinander verschieden sind.,,, D untereinander verschieden: Die Punkte,,, D sind nach iom (iii) voneinander verschieden. P, verschieden von,,, D: ngenommen der Punkt P sei mit einem dieser vier Punkte identisch. Ohne eschränkung der llgemeinheit können wir annehmen, dass er mit dem Punkt identisch sei, also P =. Da P nach Definition auf c liegt, hätte man damit drei Punkte,, D auf der Geraden c. Das ist ein Widerspruch u iom (iii). Daher ist der Punkt P mit keinem der vier Punkte,,, D identisch. Ein analoges rgument gilt für P. P verschieden von P : ngenommen P = P. Dann läge dieser Punkt nach Definition von P auf a und gleicheitig nach Definition von P auf d. Die Verbindungsgerade dieses Punktes mit dem Punkt wäre nach iom (ii) eindeutig. lso müssten die Geraden a und d identisch sein. Dies ist ein Widerspruch ur oben bewiesenen Tatsache, dass die Geraden verschieden voneinander sind. lso muss P verschieden von P sein. Somit sind alle sechs Schnittpunkte voneinander verschieden. Daher können sich keine drei der vier Geraden in einem Punkt schneiden, da die paarweisen Schnittpunkte dieser drei Geraden verschieden voneinander sind.

ufgabe. ndere Einbettung. Nun sei die euklidische Ebene im R nicht kanonisch auf = eingebettet, sondern so, dass sie durch die Punkte = (, 0, 0) T, = (0,, 0) T und = (0, 0, ) T des R verläuft. Rechts finden Sie eine Draufsicht auf die eingebettete Ebene. a) Skiieren Sie die Lage der Ebene in einem dreidimensionalen Koordinatensystem. b) Zeichnen Sie die Punkte mit den folgenden homogenen Koordinaten in diese Draufsicht ein: p = (,, 0) T p = (,, ) T p = (, 0, ) T p = (,, ) T p 5 = (, 6, 7) T c) Geben Sie die homogenen Koordinaten der Ferngerade dieser Einbettung an. Lösung: a) Um die Ebene u skiieren, eichnet man ein dreidimensionales Koordinatensystem und verbindet die drei angegebenen Punkte. Die so erhaltenen Linien kenneichnen ugleich die Schnitte der eingebetteten Ebene mit den von den Koordinatenachsen aufgespannten Ebenen, also der (, y)-ebene, der (, )-Ebene und der (y, )- Ebene. y b) Die Ebene im R durch die Punkte, und erfüllt die Gleichung + y + =. Um einen Punkt in diese Ebene einueichnen, müssen also seine homogenen Koordinaten so skaliert werden, dass diese Gleichung erfüllt ist. Die sich so ergebenden drei Koordinaten seien mit a, b und c beeichnet. y = ( + y + ) +y+ y +y+ +y+ a := b := c := +y+ y +y+ +y+ Somit ergibt sich für die Punkte aus der ngabe: p = = p = = p = 0 = 0 0 0 p = = p 5 = 6 = 7 7

Die so gefundenen Punkte in der eingebetteten Ebene muss man jett noch richtig in die Zeichenebene eintragen. Zum besseren Verständnis unterscheidet diese Erklärung wischen den dreidimensionalen Einheitsvektoren,,, wie sie in der ngabe vorgegeben sind, und ihren weidimensionalen ildern, und, wie man sie in der Zeichenebene sehen kann. Da die einelnen Einträge der umgeformten Vektoren sich u addieren, kann man sie auch als baryentrische Koordinaten des gesuchten Punktes auffassen. Wenn man die kartesischen Koordinaten der ilder, und in der Ebene R hätte, könnte man die Koordinaten der gewünschten Punkte als a + b + c errechnen. Will man sich den Umweg über das kartesische Koordinatensystem sparen, kann man auch direkt in Dreieckskoordinaten denken. Dabei stellen alle u paralellen Geraden diejenigen Linien dar, die die gleiche c-koordinate haben. ei selbst ist diese Koordinate 0, da sich alle Punkte auf der Geraden allein als Linearkombination aus und ergeben. ei ist diese Koordinate und die anderen beiden Koordinaten hingegen 0. Werte wischen 0 und sind dawischen auf Parallelen u in gleichmäßigen bständen verteilt. Gleiches gilt für die anderen Koordinaten. In der Skie ist dieses Verfahren für den Punkt p illustriert. a = p 5 p p p c = p b = c) Die Ferngerade entspricht dem weidimensionalen Untervektorraum des R, der mit der eingebetteten Ebene keine gemeinsamen Punkte hat, also parallel u dieser Verläuft. Repräsentiert wird dieser Untervektorraum durch seinen Normalenvektor. Das ist in diesem Fall der Vektor (,, ) T. Die Ferngerade entspricht im Dreidimensionalen also dem durch + y + = 0 beschriebenen Untervektorraum. ufgabe. Parallelogramm. Gegeben seien die homogenen Koordinaten der Punkte, und. Zusammen mit einem vierten Punkt D bilden diese ein Parallelogramm D, wobei die Ecke D der Ecke gegenüber liegt. Geben Sie eine Formel an, mit der die homogenen Koordinaten des Punktes D ausgerechnet werden können. a b d D c

Lösung: P d D a b c Q Homogene Koordinaten von Verbindungsgeraden lassen sich einfach über das Kreuprodukt der homogenen Koordinaten von wei Punkten bestimmen. So ist die Gerade a, die mit verbindet, wie folgt ausurechnen: a = Parallele Geraden schneiden sich im Unendlichen. Der ugehörige Fernpunkt lässt sich als Schnitt einer Geraden mit der Geraden im Unendlichen ermitteln. Für die Gerade a sei dies der Punkt P : P = a l Die Gerade c durch und parallel u a ist jett gegeben als Verbindungsgerade dieses Fernpunktes P mit dem Punkt : c = P Die Verbindungsgerade b von und, ihr Fernpunkt Q sowie die Parallele d durch sind analog u bestimmen: Damit ergibt sich D als Schnitt weier Geraden: Das führt abschließend u folgender Formel: b = Q = b l d = Q D = c d D = ((( ) l ) ) ((( ) l ) ) = ( ) 0 0 ( ) 0 0 5

Hausaufgaben ufgabe. Koordinatenachsen. estimmen Sie homogene Koordinaten für die - und y-chse sowie den Koordinatenursprung der Zeichenebene. Verwenden Sie die Standardeinbettung mit =. Lösung: Der Koordinatenursprung hat die weidimensionalen Koordinaten (0, 0) T (0, 0, ) T (oder ein vielfaches davon). und somit die homogenen Koordinaten Die -chse erfüllt die Gleichung y = 0 oder ausführlicher 0 + y +0 = 0. Sie hat daher die homogenen Koordinaten (0,, 0) T. nalog hat die y-chse die homogenen Koordinaten (, 0, 0) T. ufgabe 5. Homogene Koordinaten. Zeichnen Sie die folgenden Objekte in die rechts abgebildete gewöhnlichen (, y)-ebene (eingebettet in den R auf = ) ein. a) Punkte mit homogenen Koordinaten: 7 p = p = 5 0 p = 0 p = 0 b) Geraden mit homogenen Koordinaten: l = l = 6 l 5 = 0 0 6 5 l = 6 l = 0 l 6 = 0 Lösung: a) Um die Punkte in die Ebene eineichnen u können, müssen sie dehomogenisiert werden. Dau werden ihre homogenen Koordinaten wie folgt umgeformt: y = y Im Einelnen ergeben sich so: p =, p = 0 0, p = nschließend kann die dritte Koordinate weggelassen werden. Der Punkt p befindet sich im Unendlichen und ist daher nicht direkt einueichnen. Obiger nsat hätte eine Division durch Null ur Folge. Lediglich die Richtung, in die er liegt, kann man durch einen Pfeil andeuten. 6

b) Um die Geraden in R u bestimmen, gibt es verschiedene nsäte. Man kann etwa für Vektoren (a, b, c) die ugehörige Gleichung a + by + c = 0 aufstellen und durch scharf hinschauen wei Punkte finden, die diese Gleichung erfüllen und somit die Gerade definieren. So sieht man etwa, dass l die Gleichungen +6 0+ = 0 sowie + 6 + = 0 erfüllt und daher die Verbindungsgerade von (, 0) T mit (, ) T sein muss. lternativ kann man die Gerade auch durch Kreuprodukte mit wei beliebigen anderen, nicht parallelen Geraden schneiden, um so wei Punkte auf der Geraden u erhalten. Schneidet man etwa die Gerade l mit der - und der y-chse, so erhält man: 0 = 0 6 0 Die gesuchte Gerade ergibt sich wieder als Verbindung dieser Punkte. 0 0 = 6 0 Die Gerade l 5 ist die Gerade im Unendlichen. Sie lässt sich nicht korrekt in die Skie eineichnen. Will man sie dennoch veranschaulichen, kann man die Skie verbiegen, um das Unendliche auch noch drauf u quetschen. p p p l l p l 5 p l l l 6 l l l p p p l 6 p l Skie als Lösung der ufgabe Verbogene Skie mit Unendlichkeit ur besseren Vorstellung ufgabe 6. Projektives Konstruieren. Gegeben sei die folgende (unvollständige) Photographie vom Umriss eines Schachbretts. Zeichnen Sie die Felder des Schachbretts perspektivisch richtig ein. enuten Sie dau die Tatsache, dass eine solche (Zentral-)Projektion Kollinearitäten erhält: Punkte, die in der Ebene des Schachbretts auf einer Gerade liegen, liegen auch auf dieser bbildung auf einer Geraden. 7

Lösung: Zur Lösung dieser ufgabe muss man sich nur auf die grundlegenden Eigenschaften projektiver Geometrie besinnen: Projektive Transformationen bilden Geraden auf Geraden ab. Schnittpunkte von Geraden bleiben unter projektiven Transformationen erhalten. Euklidisch parallele Geraden schneiden sich im Unendlichen. Sich gegenüberliegende Seiten des Schachbretts sind natürlich parallel. Ihre jeweiligen Schnittpunkte im Unendlichen werden unter der gewählten Perspektive (die praktisch eine projektive Transformation darstellt) sichtbar. Die so bestimmten Schnittpunkte werden im untenstehenden ild mit und beeichnet. Da der Schnitt von Geraden erhalten bleibt, lässt sich durch den Schnittpunkt der beiden Diagonalen der perspektivisch richtige Mittelpunkt M des Schachbretts bestimmen. Die Gerade durch M bw. M teilen dann das Schachbrett perspektivisch richtig in obere und untere bw. rechte und linke Spielbretthälfte ein, da sie Linien entsprechen, die parallel um Rand verlaufen. Wiederholte nwendung dieses Verfahrens bringt weitere Unterteilungen und somit schließlich das perspektivisch richtig geeichnete Schachbrett. M 8