Punkt und Gerade
Der Abstand ist immer die kürzeste Verbindung — und die steht senkrecht.
- Abstand:Länge der kürzesten Strecke von \(Q\) zu einem Punkt des Objekts.
- Laufender Punkt:\(X_t=\vec p+t\,\vec u\) wandert auf \(g\); \(|\overrightarrow{QX_t}|\) hängt von \(t\) ab.
- Lotfußpunkt:Am nächsten Punkt \(F\) steht \(\overrightarrow{QF}\) senkrecht auf \(g\): \(\overrightarrow{QX_t}\cdot\vec u=0\) liefert \(t\).
- Abstand:\(d(Q,g)=|\overrightarrow{QF}|\).
- Alternative:Hilfsebene durch \(Q\) mit Normalenvektor \(\vec u\) aufstellen und mit \(g\) schneiden — der Schnittpunkt ist \(F\).
- Parallele Geraden:Abstand eines beliebigen Punktes der einen Geraden zur anderen.
Lass den Punkt \(X_t\) mit dem Regler über die Gerade \(g\) wandern. Rechts siehst du, wie sich die Entfernung zu \(Q\) ändert — achte auf das Skalarprodukt \(\overrightarrow{QX_t}\cdot\vec u\) an der tiefsten Stelle.
Halte fest: Genau dort, wo \(\overrightarrow{QX_t}\cdot\vec u=0\) wird, ist die Entfernung am kleinsten — der Lotfußpunkt ist die Stelle, an der die Verbindung senkrecht auf der Geraden steht.
Punkt und Ebene
Zur Ebene führt das Lot in Richtung des Normalenvektors — daraus entsteht eine Formel ohne Lotfußpunkt.
- Lotgerade:\(\ell\colon\vec x=\vec q+t\,\vec n\); ihr Schnittpunkt mit \(E\) ist der Lotfußpunkt \(F\).
- Hesse-Form:Koordinatengleichung \(n_1x_1+n_2x_2+n_3x_3=d\) durch \(|\vec n|\) teilen — dann liefert Einsetzen direkt den Abstand.
- Beispiel:\(E\colon x_1+2x_2+2x_3=3\), \(Q(4|3|5)\): \(\dfrac{|4+6+10-3|}{3}=\dfrac{17}{3}\approx5{,}67\).
- Parallele Objekte:Gerade \(\parallel E\) oder Ebene \(\parallel E\): Abstand eines beliebigen Punktes des Objekts zu \(E\).
- Windschiefe Geraden:Hilfsebene \(H\) durch \(g\) mit \(\vec n\perp\vec u\) und \(\vec n\perp\vec v\) — dann ist \(d(g,h)=d(Q,H)\) für einen Punkt \(Q\) von \(h\), also \(\dfrac{|(\vec q-\vec p)\cdot\vec n|}{|\vec n|}\).
Herleitung:
Abstand Punkt–Ebene: \(d(Q,E)=\dfrac{|n_1q_1+n_2q_2+n_3q_3-d|}{|\vec n|}\)
Allgemeine Hinweise
Betrag nicht vergessen
Ohne Betrag kommt je nach Seite der Ebene ein negativer Wert heraus. Das Vorzeichen verrät nur, auf welcher Seite \(Q\) liegt.
Probe am Lotfußpunkt
\(\overrightarrow{QF}\) muss kollinear zu \(\vec n\) (Ebene) bzw. orthogonal zu \(\vec u\) (Gerade) sein — und \(F\) muss auf dem Objekt liegen.
Nicht zum Stützpunkt
\(|\overrightarrow{QP}|\) zum Stützpunkt ist fast nie der Abstand — er ist nur eine obere Schranke.
