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Geradengleichung

Gleichung, die eine Gerade eindeutig beschreibt Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Geradengleichung
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Eine Geradengleichung ist in der analytischen Geometrie eine Gleichung, die eine Gerade eindeutig beschreibt. Geraden lassen sich auf vielfältige Weise durch Gleichungen beschreiben: Bei einer Koordinatengleichung besteht eine Gerade aus allen Punkten, deren Koordinaten die Gleichung erfüllen. Auf diese Art lassen sich nur Geraden in einer Ebene beschreiben. Bei einer Vektorgleichung wird die Gerade mithilfe von Vektoren ausgedrückt, häufig kombiniert mit einem Parameter, der die reellen Zahlen durchläuft. Zu jedem Parameterwert gehört dann eindeutig ein Punkt auf der Geraden, und man spricht von einer Parametergleichung. Eine Normalengleichung beschreibt eine Gerade mithilfe eines Vektors, der senkrecht auf der Geraden steht (Normalenvektor). Vektorgleichungen (insbesondere Parametergleichungen und Normalengleichungen) eignen sich zur Beschreibung sowohl von Geraden in der Ebene als auch von Geraden im Raum.

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Gerade durch die beiden Punkte und in einem kartesischen Koordinatensystem
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Geraden in der Ebene

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Koordinatengleichungen

In einem kartesischen Koordinatensystem werden jedem Punkt der Ebene zwei Zahlen und als Koordinaten zugeordnet. Man schreibt oder . Eine Gleichung mit den Variablen und beschreibt dann eine Menge von Punkten in der Ebene, und zwar die Menge aller Punkte, deren - und -Koordinate die Gleichung erfüllen. Die Schreibweise

bedeutet beispielsweise, dass die Gerade aus allen Punkten besteht, für die erfüllt ist. Die entsprechende Mengenschreibweise lautet

.

Für Geradengleichungen gibt es eine Reihe unterschiedlicher Darstellungsformen.

Normalform oder Hauptform

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Gerade mit Steigung m und y-Achsenabschnitt n

Jede Gerade, die nicht parallel zur -Achse verläuft, ist der Graph einer linearen Funktion

,

wobei und reelle Zahlen sind.[A 1] Die zugehörige Geradengleichung lautet dann

.[1]

Diese Darstellung einer Geradengleichung heißt Normalform[2][3] oder Hauptform[4] der Geradengleichung. Die Parameter und der Normalform haben eine geometrische Bedeutung: Die Zahl ist die Steigung der Geraden und die Zahl ist der Schnittpunkt mit der -Achse (y-Achsenabschnitt). Ist , so verläuft die Gerade als Ursprungsgerade durch den Koordinatenursprung und die zugehörige Funktion ist eine Proportionalität. Geraden, die parallel zur -Achse verlaufen, sind keine Funktionsgraphen und können folglich nicht in Normalform dargestellt werden.

Allgemeine Form

Die allgemeine Form[5][6] der Geradengleichung in der Ebene lautet

,

wobei und nicht beide 0 sein dürfen.

Es handelt sich um eine implizite Gestalt der Geradengleichung.[7] Durch Auflösen der Gleichung nach (falls ) erhält man hieraus die explizite Normalform

.

Die allgemeine Form hat den Vorteil, dass sie symmetrisch in und ist und somit keine Richtung der Geraden bevorzugt wird. Dadurch unterliegt sie keinen Einschränkungen, d. h. jede Gerade lässt sich mithilfe der allgemeinen Form beschreiben.[A 2] Insbesondere können auch Geraden, die parallel zur -Achse verlaufen, dargestellt werden als

,

wobei die Stelle ist, an der die Gerade die -Achse schneidet. Sie hat den Nachteil, dass man aus ihr im Allgemeinen keine geometrischen Eigenschaften der beschriebenen Geraden direkt ablesen kann.[8]

Zweipunkteform

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Steigungsdreiecke einer Geraden

Verläuft die Gerade durch die beiden Punkte und , wobei , dann kann die Steigung der Geraden mit Hilfe des Differenzenquotienten berechnet werden:

.

Nach dem Strahlensatz kann statt des Punktes auch ein beliebiger anderer Punkt der Geraden gewählt werden, ohne dass die Steigung sich ändert. Damit ergibt sich die Zweipunkteform

[9]

oder äquivalent dazu, indem die Gleichung nach aufgelöst wird,

.

Punktsteigungsform

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Punktsteigungsform einer Geradengleichung

Eine Gerade durch den Punkt mit der Steigung wird beschrieben durch die Gleichung[10]

.

Diese Formel kann auch benutzt werden, wenn zwei Punkte bekannt sind, aber man den Schnittpunkt mit der -Achse (oben genannt) nicht explizit bestimmen will.

Achsenabschnittsform

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Achsenabschnittsform einer Geradengleichung

Schneidet die Gerade die -Achse an der Stelle und die -Achse an der Stelle , so lässt sich die Geradengleichung in der Form

schreiben.[9] Diese Form heißt Achsenabschnittsform der Geradengleichung mit dem -Achsenabschnitt und dem -Achsenabschnitt . Wird die Gleichung nach aufgelöst, so ergibt sich die Normalform

,

wobei das Verhältnis gerade der Steigung der Geraden entspricht.

Vektorgleichungen

Geraden in der Ebene lassen sich auch mit Hilfe von Vektoren beschreiben. Dabei betrachtet man statt der Punkte ihre Ortsvektoren. Der Ortsvektor eines Punktes wird üblicherweise mit bezeichnet.

Parametergleichung

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Parameterform einer Geradengleichung
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Zweipunkteform einer Geradengleichung mit Vektoren

Bei einer Parametergleichung wird keine Bedingung formuliert, die die Koordinaten der Punkte erfüllen müssen, damit sie auf der Geraden liegen, sondern die Punkte der Geraden werden in Abhängigkeit von einem Parameter dargestellt. Jedem Wert des Parameters entspricht dabei ein Punkt der Geraden. Durchläuft der Parameter alle reellen Zahlen, so erhält man alle Punkte der Geraden.

Eine spezielle Parametergleichung ist die Punktrichtungsform[8][11]

beziehungsweise in Komponentendarstellung

.

Hierbei ist der Ortsvektor eines festen Punktes der Geraden (Stützvektor genannt), der Richtungsvektor der Geraden und eine Zahl, die angibt, wie lange vom Stützvektor aus in diese Richtung gezählt wird. Der Parameter bildet hierbei die Koordinate eines affinen Koordinatensystems auf der Geraden, das heißt die Gerade wird mit den Werten von beziffert, wobei der Nullpunkt bei liegt.

Geht eine Gerade durch die Punkte und , so lässt sie sich mit der Zweipunkteform[11][12]

beschreiben. Der Ortsvektor dient dabei als Stützvektor der Gerade, während der Differenzvektor den Richtungsvektor der Gerade bildet. Mithilfe der Distributivgesetze der Vektorrechnung erhält man hieraus die Darstellung

.

Normalengleichungen

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Normalenform einer Geradengleichung

Mit einem Normalenvektor , der im rechten Winkel zur Geraden steht, lässt sich die Gerade in Normalenform[13] schreiben:

bzw. äquivalent.

Darin ist wieder der Stützvektor und das Skalarprodukt zweier Vektoren. Legt man ein ebenes rechtwinkliges Koordinatensystem zugrunde und stellt die Vektoren mithilfe ihrer Komponenten dar, so erhält man die Normalenform als Koordinatengleichung:

bzw. .

Eine spezielle Normalenform ist die hessesche Normalform

,

bei der Normalenvektor normiert und orientiert ist und den Abstand der Geraden vom Koordinatenursprung bezeichnet.

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Geraden im Raum

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Darstellung einer Raumgeraden

Geraden im Raum lassen sich nicht durch eine Koordinatengleichung beschreiben, sondern nur durch ein System von zwei linearen Gleichungen. Jede dieser Gleichungen beschreibt dabei eine Ebene und die Gerade ist die Schnittmenge der beiden Ebenen. Diese Beschreibung von Geraden im Raum ist unhandlich.[14] Praktischer ist die oben vorgestellte Parametergleichung

,

wobei , und Vektoren im Raum sind. Legt man ein kartesisches Koordinatensystem zugrunde und stellt die Vektoren mithilfe ihrer Komponenten dar, so liest sich diese Gleichung als

Mit Hilfe des Vektorprodukts lässt sich noch eine andere, parameterfreie Geradenform konstruieren, die Determinantenform

.

Hierbei ist wiederum der Ortsvektor eines festen Punkts der Geraden und der Richtungsvektor der Geraden. Das Vektorprodukt ergibt die doppelte Fläche eines Dreiecks zwischen dem Ursprung, und , das beim parallelen Verschieben einer Seite durch Verschieben von entlang der Gerade gleich bleibt.

Da die Differenz des Ortsvektors jedes beliebigen Punktes der Geraden und dem Stützvektor kollinear zum Richtungsvektor sein muss (also in dieselbe oder in die entgegengesetzte Richtung zeigt), ergibt das Vektorprodukt der beiden immer den Nullvektor:

.

Für jeden Vektor , der Ortsvektor eines Punktes der Geraden ist, trifft die Gleichung zu, in allen anderen Fällen ergibt sich nicht der Nullvektor. Ist ein Einheitsvektor, so entspricht genau dem Abstand der Geraden vom Ursprung.

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Geraden in höherdimensionalen Räumen

Mithilfe der Parameterdarstellung lassen sich Geraden auch in höherdimensionalen Räumen definieren. Jedes -Tupel wird dann einfach als „Punkt“ oder „Ortsvektor“ im interpretiert; Insbesondere lassen sich zwei -Tupel und als Stützvektor und Richtungsvektor auffassen. Die Gleichung

definiert dann eine Gerade im . Sie besteht aus allen , für die ein existiert, so dass die Gleichung erfüllt ist. Diese Bedingung bedeutet aber, dass das folgende lineare n×1-Gleichungssystem eine Lösung hat:

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Siehe auch

Literatur

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Commons: Lineare Gleichungen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Commons: Lineare Funktionen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Anmerkungen

  1. Der Parameter wird in der Literatur auch mit , oder bezeichnet. In Österreich schreibt man meist .
  2. Aus diesem Grund nennt man diese Form der Gleichung allgemeine Form.
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Einzelnachweise

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