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Berlin Abitur Math 3. PF (GK): Lineare Algebra und Analytische Geometrie

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Lineare Algebra und Analytische Geometrie

Die Lineare Algebra und Analytische Geometrie im Berliner Grundkurs arbeitet im dreidimensionalen Raum: Vektoren, Geraden und Ebenen, ihre Lagebeziehungen, Winkel und Abstände. Typische Aufgaben verlangen Geraden- und Ebenengleichungen aus Sachdaten (Pyramiden, Dächer, Flugbahnen), die Untersuchung von Lagen, Schnittwinkel und Abstände – auch bei Ebenenscharen.

Darstellungen

  • Gerade: g: x = a + t·u mit Stützvektor a und Richtungsvektor u.
  • Ebene in Parameterform: E: x = a + s·u + t·v; Normalenform: n·(x−a)=0; Koordinatenform: n₁x₁+n₂x₂+n₃x₃=d.
  • Normalenvektor: n steht senkrecht auf u und v, also n·u=0 und n·v=0; das LGS (oder das Kreuzprodukt) liefert ihn.
  • Umrechnung: Aus der Koordinatenform liest man n direkt ab, d folgt durch Einsetzen eines Ebenenpunkts.

Lagebeziehungen

  • Gerade–Gerade: gleichsetzen; genau eine Lösung (Schnitt), keine Lösung (parallel oder windschief – unterscheide über die Richtungsvektoren) oder unendlich viele (identisch).
  • Gerade–Ebene: Geradengleichung in die Ebenengleichung einsetzen; ein Lösungswert für t ergibt den Durchstoßpunkt, keine Lösung bedeutet parallel (oder in der Ebene liegend, wenn der Stützpunkt die Gleichung erfüllt).
  • Ebene–Ebene: Schnittgerade über ein LGS oder über zwei Punkte, die beide Gleichungen erfüllen.

Winkel und Abstände

  • Winkel zwischen Vektoren: cos α = |u·v|/(|u|·|v|).
  • Winkel zwischen Gerade und Ebene: sin α = |u·n|/(|u|·|n|), weil gegen den Normalenvektor gemessen wird.
  • Abstand Punkt–Ebene (Hessesche Normalenform): d = |n·(p−a)|/|n|.
  • Abstand windschiefer Geraden: Hilfsebene durch g₁ mit der Richtung von g₂, dann Abstand eines Punkts von g₂ zu dieser Ebene.

Durchgerechnetes Beispiel

Ebene E: 2x₁−x₂+2x₃=6, Punkt P(1|1|1). Normalenvektor n=(2;−1;2), |n|=√(4+1+4)=3. Einsetzen: n·p=2−1+2=3, also |3−6|/3=1, der Abstand beträgt 1 LE. Kontrolle über den Fußpunkt: P′=P−((n·p−d)/|n|²)·n = (1;1;1)+(1/3)(2;−1;2) = (5/3;2/3;5/3); die Punktprobe ergibt 10/3−2/3+10/3=6. ✓

Typische Fehlerquellen

  • Kreuzprodukt mit vertauschten Vektoren: alle Vorzeichen drehen sich um.
  • Beim Winkel Gerade–Ebene cos statt sin verwenden.
  • Betragsstriche im Skalarprodukt weglassen und einen stumpfen Winkel angeben.
  • Bei „keine Lösung“ sofort windschief schreiben, ohne die Richtungsvektoren auf Vielfachheit zu prüfen.
  • Abstand ohne Division durch |n| berechnen.
  • Punktprobe mit dem Stützvektor der falschen Ebene durchführen.