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Serlo-Content · Eigenes Frontend

/mathe/229266/aufgabe

Wir laden die Inhalte direkt von der Serlo API und rendern sie mit unserem UI.

Aufgabe

/mathe/229266/aufgabe

/mathe/229266/aufgabe

Gegeben sind die Kugeln  und

Zeige, dass sich die beiden Kugeln innen in einem Punkt berühren und gib seine Koordinaten an. Bestimme auch die Tangentialebene  der beiden Kugeln.

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Lösung
Voraussetzung
Tangentialebene
Strategie

Wenn zwei Kugeln sich innen berühren sollen, dann muss der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte gleich dem Betrag der Differenz der beiden Kugelradien sein.

Zur Berechnung des Berührpunktes erstellst du eine Vektorgleichung mit . ist ein Einheitsvektor.

Für die Berechnung der Tangentialebene benutze den Vektor und den berechneten Berührpunkt .

Schritte

Kugeln berühren sich

Berechne den Vektor und dann seinen Betrag .

und

Der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte beträgt und die Differenz der beiden Kugelradien beträgt auch .

Die beiden Kugeln berühren sich innen.

Berechnung von

Aus der nebenstehenden Abbildung kannst du folgende Vektorgleichung ablesen:

Dabei ist

Zwei sich innen berührende Kugeln

Dabei ist , und .

Antwort: Der Berührpunkt hat die Koordinaten .

Berechnung von

Mit dem eben berechneten Einheitsvektor und dem Berührpunkt , der ein Punkt der Ebene ist, kann die Gleichung der Tangentialebene erstellt werden.

Hinweis: Bei Verwendung des Einheitsvektors erhält man die Hessesche Normalenform der Ebene bzw. nach Berechnung des Skalarproduktes eine Koordinatenform.

Gleichungsumformung

Setze und ein.

Das ist die Hessesche Normalenform der Ebene.

Für die Umwandlung in die Koordinatenform berechne das Skalarprodukt.

Löse die Klammern auf.

Fasse zusammen.

Vereinfache.

Antwort: Die Hessesche Koordinatenform der Tangentialebene lautet: oder nur als Koordinatenform .

Alternative Berechnung der Tangentialebene

Setze den Berührpunkt und den Mittelpunkt der Kugel in die Gleichung für die Tangentialebene ein.

Gleichungsumformung

Setze und ein.

Vereinfache.

Das ist die Normalenform der Ebene.

Für die Umwandlung in die Koordinatenform berechne das Skalarprodukt.

Löse die Klammern auf.

Umformung: \cdot\left(-\dfrac{13}{40}\right)

Antwort: Die Koordinatengleichung der Tangentialebene lautet:

Graphische Darstellung

Die Abbildung ist nicht verlangt worden.

Sie dient nur zur Veranschaulichung.

Bild