Mit dem Kreuzprodukt (bzw. Vektorprodukt) kann man einige Rechnungen erheblich vereinfachen. Die Hauptanwendung ist wohl die, um eine Parameterform in eine Koordinatenform umzuwandeln (siehe 5.1.6, Bsp1-Bsp3). Desweiteren verwendet man das Kreuzprodukt um Flächen von Dreiecken und Parallelogrammen leicht zu berechnen (unter Parallelogramm fällt auch: Rechteck, Raute, Quadrat) und um Volumina von Pyramiden oder vom Spat zu berechnen (Ein Spat ist ein 3D-Parallelogramm). Die Formel die man hierfür verwendet heißt daher auch Spatprodukt.

Allgemeine Grundlagen der Vektorgeometrie rund um Punkte, Geraden und Ebenen. Geraden und Ebenen aufstellen, Ebenenformen umwandeln, etc..

Zwei Geraden können auf vier Lagen zu einander liegen: wenn die Richtungsvektoren beider Geraden Vielfache voneinander sind, sind die Geraden parallel oder identisch. Sind die Richtungsvektoren keine Vielfache voneinander, so liegen die Geraden windschief oder sie haben einen Schnittpunkt. Vorgehensweise: Man betrachtet die Richtungsvektoren beider Geraden und danach setzt man die Geraden gleich.

Es gibt drei Lagen, die eine Gerade und eine Ebene annehmen können. Man unterscheidet diese drei Fälle einfach in dem man die Schnittpunkte von Gerade und Ebene ausrechnet. 1.Fall: Gerade und Ebene sind parallel, in dem Fall gibt es keine Schnittpunkte. 2.Fall: Die Gerade liegt in der Ebene, in dem Fall gibt’s unendlich viele Schnittpunkte. 3.Fall: Es gibt einen Schnittpunkt. In dem Fall gibt’s bei der Schnittpunktberechnung EINE Lösung.

Zwei Ebenen können auf drei Arten zueinander liegen: Sie können parallel sein, identisch sein oder sie haben eine Schnittgerade. Wenn die Ebenen in Koordinatenform gegeben sind, erkennt man die drei Lagen sehr schnell. Wenn die linken Seiten der Koordinatengleichungen Vielfache voneinander sind, sind die Ebenen parallel oder identisch. Falls nicht, haben sie eine Schnittgerade. Letztere berechnet man, indem man beide Koordinatengleichungen wie ein Gleichungssystem behandelt, das unendlich viele Lösungen hat.

Schnittmengen zu berechnen, bedeutet Geraden und Ebenen auf Schnittpunkte und Schnittgeraden zu überprüfen. Dieses nennt man auch „gegenseitige Lage“ bestimmen. Wichtig sind gegenseitige Lage von zwei Geraden, gegenseitige Lage einer Gerade mit einer Ebene und die gegenseitige Lage zweier Ebenen.

Für windschiefe Geraden, gibt es zwei Möglichkeiten der Abstandsberechnung. (Der einfachste Weg geht wohl über die Formel, dieser Wege liefert allerdings die Lotfußpunkte nicht.) Beide windschiefe Geraden schreibt man in Punktform um, (man bestimmt also einen laufenden Punkt für beide Geraden), zieht diese Lotfußpunkte voneinander ab, um den Verbindungsvektor zu erhalten (welcher zwei Parameter enthält!). Nun setzt man das Skalarprodukt dieses Verbindungsvektor mit den Richtungsvektoren beider Geraden Null und erhält jetzt zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten. Das Gleichungssystem liefert die Ergebnisse für beide Parameter und damit erhält man die Lotfußpunkte. Aus dem Abstand von diesen beiden berechnet man den Abstand beider Geraden. (Die Rechnung ist etwas aufwändig!)

Der absolut wichtigste Abstand in der Vektorgeometrie ist der Abstand zweier Punkte. Man berechnet diesen entweder über die Entfernungsformel oder in dem man den Verbindungsvektor beider Punkte aufstellt und davon dann den Betrag errechnet. (Der Abstand der Punkte ist die Vektorlänge.)

Einen Abstand Punkt Gerade kann man über mehrere Wege berechnen. Eine der Möglichkeiten ist der Weg über die Lotebene. Für eine solche senkrechte Ebene verwendet man als Normalenvektor den Richtungsvektor der Geraden. Den Punkt verwendet man als Stützvektor für diese Hilfsebene.

Den Abstand Punkt Gerade kann man auf mehrere Arten berechnen. Eine der Möglichkeiten ist der Weg über den laufenden Punkt (oder auch fliegenden Punkt wie es heißt). Man schreibt die Gerade dafür in Punktform um, stellt einen Verbindungsvektor von diesem laufenden Punkt zum Ausgangspunkt auf. Das Skalarprodukt von diesem Verbindungsvektor (mitsamt Parameter) mit dem Richtungsvektor der Geraden muss Null werden. Hiermit erhält man die Lösung für den Parameter und somit den Lotfußpunkt. Der Abstand vom ursprünglichen Punkt zum Lotfußpunkt ist der gesuchte Abstand Punkt-Gerade.

Den Abstand Punkt Gerade kann man auf mehrere Arten berechnen. Für eine der Möglichkeiten verwendet man grafischen Taschenrechner (also GTR oder CAS). Man schreibt die Gerade in Punktform um (stellt also einen laufenden Punkt auf) und bestimmt den Abstand von diesem laufenden Punkt zum Ausgangspunkt (in Abhängigkeit vom Parameter). Diesen Abstand gibt man als Funktion in den Taschenrechner ein und bestimmt davon das Minimum. Der y-Wert des Minimums ist der gesuchte minimale Abstand.

Eine Möglichkeit eine Entfernung Punkte Gerade zu berechnen, geht über den Sinus. Man bestimmt den Abstand vom Stützvektor der Gerade zum gesuchten Punkt, bestimmt den Winkel zwischen Verbindungsvektor von Punkt zu Stützvektor und bestimmt nun im rechtwinkligen Dreieck den Abstand Punkt-Gerade über Sinus, Gegenkathete und Hypotenuse.

Einen Abstand Punkt Ebene kann man über mehrere Wege berechnen. Eine der Möglichkeiten ist der Weg über die Lotgerade. Für eine solche senkrechte Gerade verwendet man als Richtungsvektor den Normalenvektor der Ebene. Den Punkt verwendet man als Stützvektor der Hilfsgerade. Diese Methode eignet sich gut, wenn man den Lotfußpunkt braucht (Und den braucht man oft!)

Die schnellste Möglichkeit den Abstand Punkt Ebene zu berechnen, geht über die Hesse-Normal-Form (HNF). Man stellt die Hesse Normal Form der Ebene auf, setzt den Punkt ein und hat auch schon den gesuchten Abstand. Leider erhält man über diese Methode den Lotfußpunkt nicht.

Den Abstand von zwei parallelen Geraden berechnet man, in dem man den Stützvektor der einen Gerade nimmt und den Abstand zur anderen Gerade berechnet. Ein Abstand Gerade Ebene macht nur Sinn, wenn beide parallel sind. Man nimmt den Stützvektor der Gerade und berechnet den Abstand zur Ebene (z.B. über HNF). Den Abstand von zwei parallelen Ebenen berechnet man, in dem man einen Punkt der einen Ebene nimmt (z.B. einen Spurpunkt) und berechnet den Abstand zur anderen Ebene (z.B. über HNF).

Den Abstand von Geraden, die windschief sind, kann man auf zwei Arten berechnen. Der einfachste Weg geht wohl über die Formel. Aus den Richtungsvektoren der beiden Geraden erstellt man einen Normaleneinheitsvektoren. Diesen multipliziert man mit der Differenz der Stützvektoren und erhält so den Abstand. Leider, leider liefert die Formel die Lotfußpunkte nicht und die braucht man manchmal für windschiefe Geraden.

Es gibt drei wichtige Abstände: 1.Abstand Punkt-Punkt, 2.Punkt-Gerade, 3.Abstand Punkt-Ebene. Die Entfernung von allem anderen führt man auf diese ersten drei zurück. (Ausnahme bilden zwei windschiefe Geraden. Man kann deren Abstand berechnen, in dem man entweder eine Formel anwendet oder die Lotfußpunkte bestimmt.)

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Punkt an einem anderen zu spiegeln. Nehmen wir an, man spiegelt P an S, um den Spiegelpunkt P* zu erhalten. Man schreibt den Punkt P in Vektorform um und zählt den Verbindungsvektor PS zwei mal dazu. Schon is man fertig. Da S der Symmetriepunkt von P und P* ist, kann man auch die Formel S=(P+P*)/2 nach P* auflösen.

Will man Punkt an Gerade spiegeln, braucht man den Lotfußpunkt. (Um den Lotfußpunkt zu berechnen, gibt es wiederum viele Möglichkeiten.) Nun spiegelt man den Punkt am Lotfußpunkt und erhält den gewünschten Spiegelpunkt.

Will man Punkt an Ebene spiegeln, braucht man den Lotfußpunkt. (Man stellt dafür eine Lotgerade auf und schneidet diese mit der Ebene.) Nun spiegelt man den Punkt am Lotfußpunkt und erhält den gewünschten Spiegelpunkt.