MathematikKlasse 10–12

Punkte und Körper im räumlichen Koordinatensystem

Setze Punkte im räumlichen Koordinatensystem, drehe die Ansicht und berechne Abstände mit dem Satz des Pythagoras.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Im räumlichen Koordinatensystem stehen drei Achsen paarweise senkrecht aufeinander und schneiden sich im Ursprung O(0∣0∣0)O(0 \mid 0 \mid 0): die x1x_1-Achse zeigt schräg nach vorn, die x2x_2-Achse nach rechts, die x3x_3-Achse nach oben. Ein Punkt P(p1∣p2∣p3)P(p_1 \mid p_2 \mid p_3) wird über seinen Koordinatenweg erreicht: p1p_1 in x1x_1-Richtung, dann p2p_2 in x2x_2-Richtung, dann p3p_3 in x3x_3-Richtung; negative Koordinaten bedeuten die Gegenrichtung.

Je zwei Achsen spannen eine Koordinatenebene auf (x1x2x_1x_2-Ebene: x3=0x_3 = 0 usw.). In einer Koordinatenebene ist eine Koordinate 00, auf einer Achse sind es zwei – dann leuchtet die Ebene bzw. Achse auf. Die Projektion von P(2∣3∣4)P(2 \mid 3 \mid 4) in die x1x2x_1x_2-Ebene ist P12(2∣3∣0)P_{12}(2 \mid 3 \mid 0).

Abstände ergeben sich mit zweimal Pythagoras:

OP‾=p12+p22+p32,PQ‾=Δx12+Δx22+Δx32,z. B. 32+42+22=29≈5,39.\overline{OP} = \sqrt{p_1^2 + p_2^2 + p_3^2}, \qquad \overline{PQ} = \sqrt{\Delta x_1^2 + \Delta x_2^2 + \Delta x_3^2}, \qquad \text{z. B. } \sqrt{3^2 + 4^2 + 2^2} = \sqrt{29} \approx 5{,}39.

Ein achsenparalleler Quader mit Kanten a,b,ca, b, c hat die Raumdiagonale a2+b2+c2\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}. Risse: Der Blick von oben (Grundriss) zeigt x1x_1 und x2x_2, der Blick von vorn (Aufriss) x2x_2 und x3x_3, der Blick von der Seite (Seitenriss) x1x_1 und x3x_3. Je zwei Risse teilen eine Koordinate – die gestrichelten Ordnungslinien verbinden sie. Zwei Risse genügen: Aus P′(2∣−1)P'(2 \mid -1) und P′′(−1∣3)P''(-1 \mid 3) folgt P(2∣−1∣3)P(2 \mid -1 \mid 3). Passen die gemeinsamen Koordinaten nicht zusammen, gibt es keinen solchen Punkt.

Oktanten: Die drei Koordinatenebenen teilen den Raum in acht Oktanten. Oben (x3>0x_3 > 0) liegen I bis IV wie die Quadranten der x1x2x_1x_2-Ebene, darunter V bis VIII. Das Vorzeichenmuster bestimmt den Oktanten, z. B. (+∣−∣+)(+ \mid - \mid +): IV. Punkte auf einer Koordinatenebene liegen in keinem Oktanten.

Ausprobieren

  1. Klicke auf Weg vom Ursprung und verfolge, wie man zu P(3∣4∣2)P(3 \mid 4 \mid 2) kommt. Punkt
  2. Blende den Koordinatenweg aus und drehe nicht: Kannst du die Koordinaten sicher ablesen? Ohne Hilfslinien
  3. Tippe im Quader Ecken an und lass Pythagoras Schritt für Schritt ablaufen. Quader
  4. Ziehe in Abstand die Punkte PP und QQ. Wann ist Δx3=0\Delta x_3 = 0? Abstand
  5. In Risse: Tippe einen Riss an – die Kamera schaut aus dieser Richtung. Welcher Riss zeigt das Giebeldreieck des Hauses? Risse
  6. Schalte das Rätsel ein: Von TT siehst du nur die drei Risse. Ziehe PP, bis alle Kreuze grün sind. Rätsel
  7. In Oktanten: Tippe einen Oktanten an – PP springt hinein. Welche Vorzeichen ändern sich? Oktanten
  8. Lass mehrmals 50 Zufallspunkte fallen. Wie viele landen auf einer Ebene? Zufallspunkte

Aufgaben

Aufgabe 1: Koordinaten ablesen

Lies die Koordinaten des Punktes ab. Drehe die Ansicht, wenn du unsicher bist. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

P(−2∣3∣−1,5)P(-2 \mid 3 \mid -1{,}5): 22 nach hinten, 33 nach rechts, 1,51{,}5 nach unten. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Raumdiagonale

Ein achsenparalleler Quader ABCDEFGHABCDEFGH hat die Ecken A(0∣0∣0)A(0 \mid 0 \mid 0) und G(4∣3∣2)G(4 \mid 3 \mid 2). Berechne AC‾\overline{AC}, die Raumdiagonale AG‾\overline{AG} und das Volumen. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

AC‾=16+9=5\overline{AC} = \sqrt{16 + 9} = 5, AG‾=25+4=29≈5,39\overline{AG} = \sqrt{25 + 4} = \sqrt{29} \approx 5{,}39, V=4⋅3⋅2=24V = 4 \cdot 3 \cdot 2 = 24. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Abstand zweier Punkte

Berechne den Abstand von P(3∣4∣2)P(3 \mid 4 \mid 2) und Q(−1∣1∣−2)Q(-1 \mid 1 \mid -2). Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Δx1=−4\Delta x_1 = -4, Δx2=−3\Delta x_2 = -3, Δx3=−4\Delta x_3 = -4: d12=16+9=5d_{12} = \sqrt{16 + 9} = 5, PQ‾=25+16=41≈6,40\overline{PQ} = \sqrt{25 + 16} = \sqrt{41} \approx 6{,}40. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Punkt aus zwei Rissen

Der Grundriss eines Punktes ist T′(2∣−1)T'(2 \mid -1), der Aufriss T′′(−1∣3)T''(-1 \mid 3). Bestimme TT und seinen Seitenriss. Warum gibt es zu T′(2∣−1)T'(2 \mid -1) und T′′(1∣3)T''(1 \mid 3) keinen Punkt?

Lösung anzeigen

T(2∣−1∣3)T(2 \mid -1 \mid 3), Seitenriss T′′′(2∣3)T'''(2 \mid 3). Im zweiten Fall widersprechen sich die Risse beim gemeinsamen x2x_2 (−1-1 gegen 11). In der Simulation zeigen

Aufgabe 5: Oktanten

In welchem Oktanten liegen A(2∣−3∣2)A(2 \mid -3 \mid 2), B(−1∣−2∣−3)B(-1 \mid -2 \mid -3) und C(2∣0∣3)C(2 \mid 0 \mid 3)? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

AA: (+∣−∣+)(+ \mid - \mid +), Oktant IV. BB: (−∣−∣−)(- \mid - \mid -), Oktant VII. CC liegt wegen x2=0x_2 = 0 in der x1x3x_1x_3-Ebene, also in keinem Oktanten. In der Simulation zeigen

Aufgabe 6: Zufallspunkte auf Ebenen

Die Zufallspunkte haben Koordinaten aus −4;−3,5;…;4-4; -3{,}5; \ldots; 4 (17 Werte, gleich wahrscheinlich). Mit welcher Wahrscheinlichkeit liegt ein Punkt auf einer Koordinatenebene? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Keine Koordinate ist 00 mit Wahrscheinlichkeit (1617)3=40964913\left(\frac{16}{17}\right)^3 = \frac{4096}{4913}. Also 1−40964913=8174913≈16,6 %1 - \frac{4096}{4913} = \frac{817}{4913} \approx 16{,}6\,\%. Bei 100100 Punkten erwartet man je Oktant etwa 100⋅40964913:8≈10,4100 \cdot \frac{4096}{4913} : 8 \approx 10{,}4 Punkte. In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe, Grundlagen der Koordinatengeometrie im Raum, als Einstieg in die analytische Geometrie.
  • Zweideutigkeit des Schrägbilds: Punkte ohne Hilfslinien ablesen lassen – die Diskussion motiviert Koordinatenweg, Lot und Risse. Das Risse-Rätsel eignet sich zu zweit.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Die x1x_1-Achse wird mit der „waagerechten“ xx-Achse der Ebene verwechselt.
    • Bei Projektionen wird die falsche Koordinate 00 gesetzt (in der x1x2x_1x_2-Ebene ist es x3x_3).
    • Punkte auf einer Koordinatenebene werden einem Oktanten zugeordnet.
    • Beim Abstand Klammern vergessen: (−4)2=16(-4)^2 = 16.