Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Zwei Kugeln mit gemeinsamen äußeren Berührpunkt
Die beiden sich außen berührenden Kugeln können auf zwei verschiedene Arten angeordnet sein.
Fall 1: Die größere Kugel liegt rechts von der kleineren Kugel.
Fall 2: Die größere Kugel liegt links von der kleineren Kugel.
Lösung für den Fall 1 Berechnung von B M 2 → \overrightarrow{BM_2}B M 2 für Kugel K 2 K_2K 2 Aus dem gegebenen Richtungsvektor v ⃗ M 1 M 2 = ( − 1 2 − 2 ) \vec v_{M_1M_2}=\begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}v M 1 M 2 = − 1 2 − 2 erstellst du einen Einheitsvektor n ⃗ 0 = v ⃗ M 1 M 2 ∣ v ⃗ M 1 M 2 ∣ \vec n_0=\dfrac{\vec v_{M_1M_2}}{|\vec v_{M_1M_2}|}n 0 = ∣ v M 1 M 2 ∣ v M 1 M 2 . Dazu muss der Betrag von v ⃗ M 1 M 2 \vec v_{M_1M_2}v M 1 M 2 berechnet werden:
∣ v ⃗ M 1 M 2 ∣ = ( − 1 ) 2 + 2 2 + ( − 2 ) 2 = 9 = 3 ⇒ n ⃗ 0 = 1 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) |\vec v_{M_1M_2}|=\sqrt{(-1)^2+2^2+(-2)^2}=\sqrt{9}=3\;\Rightarrow\;\vec n_0=\dfrac{1}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}∣ v M 1 M 2 ∣ = ( − 1 ) 2 + 2 2 + ( − 2 ) 2 = 9 = 3 ⇒ n 0 = 3 1 ⋅ − 1 2 − 2
Für den Vektor B M 2 → \overrightarrow{BM_2}B M 2 gilt mit dem berechneten Einheitsvektor n ⃗ 0 \vec n_0n 0 und r 2 = 4 r_2=4r 2 = 4 :
B M 2 → = r 2 ⋅ n ⃗ 0 = 4 ⋅ 1 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) = 4 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) \overrightarrow{BM_2}=r_2 \cdot \vec n_0=4\cdot\dfrac{1}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}=\dfrac{4}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}B M 2 = r 2 ⋅ n 0 = 4 ⋅ 3 1 ⋅ − 1 2 − 2 = 3 4 ⋅ − 1 2 − 2
Berechnung von O M 2 → \overrightarrow{OM_2}O M 2 O M 2 → = O B → + B M 2 → \overrightarrow{OM_2}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_2}O M 2 = OB + B M 2
O M 2 → = ( 1 − 1 1 ) + 4 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) = ( 1 − 4 3 − 1 + 8 3 1 − 8 3 ) = ( − 1 3 5 3 − 5 3 ) \overrightarrow{OM_2}=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}+\dfrac{4}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1-\dfrac{4}{3}\\[2ex]-1+\dfrac{8}{3}\\[2ex]1-\dfrac{8}{3}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-\dfrac{1}{3}\\[2ex]\dfrac{5}{3}\\[2ex]-\dfrac{5}{3}\end{pmatrix}O M 2 = 1 − 1 1 + 3 4 ⋅ − 1 2 − 2 = 1 − 3 4 − 1 + 3 8 1 − 3 8 = − 3 1 3 5 − 3 5
Der Mittelpunkt der Kugel K 2 K_2K 2 hat die Koordinaten:
M 2 ( − 1 3 ∣ 5 3 ∣ − 5 3 ) M_2\left(-\dfrac{1}{3}\Big\vert\dfrac{5}{3}\Big\vert-\dfrac{5}{3}\right)M 2 ( − 3 1 3 5 − 3 5 ) .
Berechnung von B M 1 → \overrightarrow{BM_1}B M 1 für Kugel K 1 K_1K 1 Für den Vektor B M 1 → \overrightarrow{BM_1}B M 1 gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor ( − n ⃗ 0 ) (-\vec n_0)( − n 0 ) und r 1 = 2 r_1=2r 1 = 2 :
B M 1 → = r 1 ⋅ ( − n ⃗ 0 ) = 2 ⋅ 1 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) = 2 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) \overrightarrow{BM_1}=r_1 \cdot (-\vec n_0)=2\cdot\dfrac{1}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}=\dfrac{2}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}B M 1 = r 1 ⋅ ( − n 0 ) = 2 ⋅ 3 1 ⋅ 1 − 2 2 = 3 2 ⋅ 1 − 2 2
Berechnung von O M 1 → \overrightarrow{OM_1}O M 1 O M 1 → = O B → + B M 1 → \overrightarrow{OM_1}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_1}O M 1 = OB + B M 1
O M 1 → = ( 1 − 1 1 ) + 2 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) = ( 1 + 2 3 − 1 − 4 3 1 + 4 3 ) = ( 5 3 − 7 3 7 3 ) \overrightarrow{OM_1}=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}+\dfrac{2}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1+\dfrac{2}{3}\\[2ex]-1-\dfrac{4}{3}\\[2ex]1+\dfrac{4}{3}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\dfrac{5}{3}\\[2ex]-\dfrac{7}{3}\\[2ex]\dfrac{7}{3}\end{pmatrix}O M 1 = 1 − 1 1 + 3 2 ⋅ 1 − 2 2 = 1 + 3 2 − 1 − 3 4 1 + 3 4 = 3 5 − 3 7 3 7
Der Mittelpunkt der Kugel K 1 K_1K 1 hat die Koordinaten:
M 1 ( 5 3 ∣ − 7 3 ∣ 7 3 ) M_1\left(\dfrac{5}{3}\Big\vert-\dfrac{7}{3}\Big\vert\dfrac{7}{3}\right)M 1 ( 3 5 − 3 7 3 7 ) .
Antwort: Damit können die beiden Kugelgleichungen angegeben werden:
K 1 : ( x ⃗ − ( 5 3 − 7 3 7 3 ) ) 2 = 2 2 = 4 K_1:\; \left(\vec x-\begin{pmatrix}\dfrac{5}{3}\\[2ex]-\dfrac{7}{3}\\[2ex]\dfrac{7}{3}\end{pmatrix}\right)^2=2^2=4K 1 : x − 3 5 − 3 7 3 7 2 = 2 2 = 4 und
K 2 : ( x ⃗ − ( − 1 3 5 3 − 5 3 ) ) 2 = 4 2 = 16 K_2:\; \left(\vec x-\begin{pmatrix}-\dfrac{1}{3}\\[2ex]\dfrac{5}{3}\\[2ex]-\dfrac{5}{3}\end{pmatrix}\right)^2=4^2=16K 2 : x − − 3 1 3 5 − 3 5 2 = 4 2 = 16
Lösung für den Fall 2 Berechnung von B M 2 ′ → \overrightarrow{BM_2'}B M 2 ′ für Kugel K 2 K_2K 2 Für den Vektor B M 2 ′ → \overrightarrow{BM_2'}B M 2 ′ gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor ( − n ⃗ 0 ) (-\vec n_0)( − n 0 ) und r 2 = 4 r_2=4r 2 = 4 :
B M 2 ′ → = r 2 ⋅ ( − n ⃗ 0 ) = 4 ⋅ 1 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) = 4 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) \overrightarrow{BM_2'}=r_2 \cdot(-\vec n_0)=4\cdot\dfrac{1}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}=\dfrac{4}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}B M 2 ′ = r 2 ⋅ ( − n 0 ) = 4 ⋅ 3 1 ⋅ 1 − 2 2 = 3 4 ⋅ 1 − 2 2
Berechnung von O M 2 ′ → \overrightarrow{OM_2'}O M 2 ′ O M 2 ′ → = O B → + B M 2 ′ → \overrightarrow{OM_2'}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_2'}O M 2 ′ = OB + B M 2 ′
O M 2 ′ → = ( 1 − 1 1 ) + 4 3 ⋅ ( 1 − 2 2 ) = ( 1 + 4 3 − 1 − 8 3 1 + 8 3 ) = ( 7 3 − 11 3 11 3 ) \overrightarrow{OM_2'}=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}+\dfrac{4}{3}\cdot \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1+\dfrac{4}{3}\\[2ex]-1-\dfrac{8}{3}\\[2ex]1+\dfrac{8}{3}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\dfrac{7}{3}\\[2ex]-\dfrac{11}{3}\\[2ex]\dfrac{11}{3}\end{pmatrix}O M 2 ′ = 1 − 1 1 + 3 4 ⋅ 1 − 2 2 = 1 + 3 4 − 1 − 3 8 1 + 3 8 = 3 7 − 3 11 3 11
Der Mittelpunkt der Kugel K 2 K_2K 2 hat die Koordinaten:
M 2 ′ ( 7 3 ∣ − 11 3 ∣ 11 3 ) M_2'\left(\dfrac{7}{3}\Big\vert-\dfrac{11}{3}\Big\vert\dfrac{11}{3}\right)M 2 ′ ( 3 7 − 3 11 3 11 ) .
Berechnung von B M 1 ′ → \overrightarrow{BM_1'}B M 1 ′ für Kugel K 1 K_1K 1 Für den Vektor B M 1 ′ → \overrightarrow{BM_1'}B M 1 ′ gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor n ⃗ 0 \vec n_0n 0 und r 1 = 2 r_1=2r 1 = 2 :
B M 1 ′ → = r 1 ⋅ n ⃗ 0 = 2 ⋅ 1 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) = 2 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) \overrightarrow{BM_1'}=r_1 \cdot \vec n_0=2\cdot\dfrac{1}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}=\dfrac{2}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}B M 1 ′ = r 1 ⋅ n 0 = 2 ⋅ 3 1 ⋅ − 1 2 − 2 = 3 2 ⋅ − 1 2 − 2
Berechnung von O M 1 ′ → \overrightarrow{OM_1'}O M 1 ′ O M 1 ′ → = O B → + B M 1 ′ → \overrightarrow{OM_1'}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_1'}O M 1 ′ = OB + B M 1 ′
O M 1 → = ( 1 − 1 1 ) + 2 3 ⋅ ( − 1 2 − 2 ) = ( 1 − 2 3 − 1 + 4 3 1 − 4 3 ) = ( 1 3 1 3 − 1 3 ) \overrightarrow{OM_1}=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}+\dfrac{2}{3}\cdot \begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1-\dfrac{2}{3}\\[2ex]-1+\dfrac{4}{3}\\[2ex]1-\dfrac{4}{3}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{3}\\[2ex]\dfrac{1}{3}\\[2ex]-\dfrac{1}{3}\end{pmatrix}O M 1 = 1 − 1 1 + 3 2 ⋅ − 1 2 − 2 = 1 − 3 2 − 1 + 3 4 1 − 3 4 = 3 1 3 1 − 3 1
Der Mittelpunkt der Kugel K 1 K_1K 1 hat die Koordinaten:
M 1 ( 1 3 ∣ 1 3 ∣ − 1 3 ) M_1\left(\dfrac{1}{3}\Big\vert\dfrac{1}{3}\Big\vert-\dfrac{1}{3}\right)M 1 ( 3 1 3 1 − 3 1 ) .
Antwort: Damit können die beiden Kugelgleichungen angegeben werden
K 1 ′ : ( x ⃗ − ( 1 3 1 3 − 1 3 ) ) 2 = 2 2 = 4 K_1':\; \left(\vec x-\begin{pmatrix}\dfrac{1}{3}\\[2ex]\dfrac{1}{3}\\[2ex]-\dfrac{1}{3}\end{pmatrix}\right)^2=2^2=4K 1 ′ : x − 3 1 3 1 − 3 1 2 = 2 2 = 4 und
K 2 ′ : ( x ⃗ − ( 7 3 − 11 3 11 3 ) ) 2 = 4 2 = 16 K_2':\; \left(\vec x-\begin{pmatrix}\dfrac{7}{3}\\[2ex]-\dfrac{11}{3}\\[2ex]\dfrac{11}{3}\end{pmatrix}\right)^2=4^2=16K 2 ′ : x − 3 7 − 3 11 3 11 2 = 4 2 = 16
Die beiden sich außen berührenden Kugeln können auf zwei verschiedene Arten angeordnet werden, d.h. es gibt insgesamt vier Kugelgleichungen zu bestimmen.
Die Berechnung der beiden Kugelmittelpunkte erfolgt mit Hilfe einer Vektorgleichung.
( I ) : O M 2 → = O B → + B M 2 → \mathrm{(I)}:\;\overrightarrow{OM_2}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_2}( I ) : O M 2 = OB + B M 2 und ( I I ) : O M 1 → = O B → + B M 1 → \mathrm{(II)}:\;\overrightarrow{OM_1}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{BM_1}( II ) : O M 1 = OB + B M 1
Dabei ist der Vektor O B → \overrightarrow{OB}OB gegeben und die beiden Vektoren B M 2 → \overrightarrow{BM_2}B M 2 bzw. B M 1 → \overrightarrow{BM_1}B M 1 müssen berechnet werden.