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Lagebeziehungen zwischen Kugeln und Punkten

Es wird die Lage eines Punktes bezüglich einer Kugel K untersucht.

Dabei treten drei Fälle auf:

  • der Punkt liegt innerhalb von K

  • der Punkt liegt auf K

  • der Punkt liegt außerhalb von K

In der Abbildung liegt der Punkt Q innerhalb der Kugel, der Punkt P auf der Kugel und der Punkt R außerhalb der Kugel.

Kugel mit 3 Punkten

Allgemeines Vorgehen

Gegeben sind eine Kugel K mit dem Mittelpunkt M(m1|m2|m3), dem Radius r und ein Punkt A(a1|a2|a3). Welche Lage hat der Punkt A bezüglich der Kugel K?

Stelle die Kugelgleichung auf.

K: (x(m1m2m3))2=r2

Setze die Punktkoordinaten von A für den Vektor x in K ein und prüfe, ob die Gleichung erfüllt ist.

((a1a2a3)(m1m2m3))2=r2

Vereinfache die linke Seite.

(a1m1a2m2a3m3)2=r2

Berechne das Skalarprodukt.

(a1m1)2+(a1m1)2+(a1m1)2=r2

Nun sind drei Fälle möglich:

  • die linke Seite der Gleichung ist <r2 der Punkt liegt innerhalb von K

  • die linke Seite der Gleichung ist =r2 der Punkt liegt auf K

  • die linke Seite der Gleichung ist >r2 der Punkt liegt außerhalb von K

BeispielPunkt innerhalb einer Kugel

Gegeben ist eine Kugel K mit dem Mittelpunkt M(3|1|5) und dem Radius r=4. Untersuche die Lage des Punktes A(3|4|5) bezüglich der Kugel K.

Lösung:

Stelle die Kugelgleichung auf:
K: (x(315))2=42=16
Setze die Punktkoordinaten von A für den Vektor x in K ein und prüfe, ob die Gleichung erfüllt ist.
((345)(315))2=16

Vereinfache die linke Seite.

(030)2=16

Berechne das Skalarprodukt.

0+32+0=16
9<16

Antwort: Der Punkt A erfüllt die Kugelgleichung nicht. Da 9<16 ist, liegt der Punkt A innerhalb der Kugel K.

Übungsaufgaben

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