Zum Inhalt springen

Abstände in der Geometrie – Punkt, Gerade, Parallele

Weiterführend:

Lehrplan 21Zyklus 2 (3.–6. Klasse), Zyklus 3 (7.–9. Klasse) · 7Kompetenzen
  • MA.3.A.2.fGrundanspruchLängen, Gewichte, Inhalte, Zeitpunkte und Zeitdauern schätzen und messen
  • MA.3.A.2.iGrundanspruchFlächeninhalte und Volumen (m³) schätzen, umwandeln; Grössen absolut und relativ vergleichen; Distanzen und Zeitdauern für Geschwindigkeitsberechnungen messen
  • MA.3.B.1.eGrundanspruchZu Beziehungen zwischen Grössen Fragen formulieren, erforschen, funktionale Zusammenhänge überprüfen
  • MA.3.B.1.iGrundanspruchErgebnisse zu funktionalen Zusammenhängen überprüfen, insbesondere durch Interpretation von Tabellen, Graphen und Diagrammen
  • MA.3.C.2.dGrundanspruchZu Texten, Tabellen und Diagrammen Fragen stellen, Berechnungen ausführen, Ergebnisse interpretieren und überprüfen
  • MA.3.C.2.gGrundanspruchAbhängigkeit zweier Grössen mit Funktionsgraph darstellen; Graphenverläufe interpretieren (Erw: geeignete Skalierung wählen; lineare funktionale Zusammenhänge mit Term beschreiben)
  • MA.3.A.2.hGrössen (Geld, Längen, Gewicht/Masse, Zeit, Volumen) schätzen, bestimmen, vergleichen, runden, rechnen, in benachbarte Masseinheiten umwandeln und in zweifach benannten Einheiten schreiben

Quelle: Aargauer Lehrplan Volksschule, Fachbereich Mathematik (August 2022)

Die Idee des Abstands ist uralt. Schon im alten Ägypten massen Feldvermesser nach jeder Nilflut die Abstände zwischen Grenzsteinen. Die Fluten hatten die Markierungen weggespült. Die sogenannten Seilspanner legten Seile mit Knoten als Massstab zwischen zwei Punkten an. So entstand eine der ersten praktischen Messkulturen der Menschheit.

Rund 300 v. Chr. fasste der griechische Mathematiker Euklid in seinen berühmten Elementen die Geometrie systematisch zusammen. Er formulierte als Grundsatz: Die kürzeste Verbindung zweier Punkte ist die Strecke dazwischen. Dieser Satz wirkt heute selbstverständlich. Damals war er ein Meilenstein. Er machte den Abstand zu einer messbaren, eindeutigen Grösse.

Einige Jahrhunderte später entdeckte Pythagoras von Samos den Zusammenhang zwischen den Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks. Sein Satz a2+b2=c2a^2 + b^2 = c^2 erlaubt es, Abstände zu berechnen, selbst wenn wir sie nicht direkt messen können. Ohne diesen Satz gäbe es keine moderne Abstandsformel im Koordinatensystem.

Im 17. Jahrhundert verband René Descartes Geometrie und Algebra. Er führte das Koordinatensystem ein, das wir heute nach ihm benennen: kartesisches Koordinatensystem. Mit seinen xx- und yy-Koordinaten wurde der Abstand zwischen zwei Punkten zur Rechenaufgabe.

Heute spielt der Abstand eine zentrale Rolle in unzähligen Gebieten. GPS-Geräte berechnen Abstände zwischen Satelliten und deiner Position. Computergrafiken nutzen Abstände, um Schatten und Perspektive zu erzeugen. Roboter orientieren sich im Raum über Abstandsmessungen mit Laser oder Ultraschall. Auch Apps wie Google Maps beruhen auf diesem Grundgedanken: Welcher Weg ist der kürzeste? Die Mathematik dahinter ist direkt aus der Geometrie der Schule gewachsen.

Der Abstand ist die kürzeste Verbindung zwischen zwei Objekten. Keine Umwege, keine Kurven, nur die direkte Strecke. Diese Idee gilt in allen Fällen, die du in diesem Artikel kennenlernst.

In der Geometrie unterscheiden wir drei typische Abstandsarten:

  1. Abstand zwischen zwei Punkten
  2. Abstand von einem Punkt zu einer Geraden
  3. Abstand zwischen zwei parallelen Geraden

Jeder Fall hat seine eigene Regel. Der Gedanke dahinter bleibt aber gleich: Wir suchen den kürzesten Weg. Diese Gemeinsamkeit ist wichtig, damit du den Überblick behältst.

Bei der Messung arbeitest du oft mit dem Lot. Das Lot ist eine Strecke, die senkrecht auf einer Geraden steht. Senkrecht bedeutet: Der Winkel zwischen Lot und Gerade beträgt genau 9090^\circ. Das Lot spielt bei den meisten Abstandsaufgaben die Hauptrolle. Wer das Lot beherrscht, beherrscht den Abstand.

Der einfachste Fall: Du hast zwei Punkte AA und BB. Der Abstand ist die Länge der Strecke, die sie verbindet. Diese Strecke ist automatisch der kürzeste Weg.

Diese Formel basiert auf dem Satz des Pythagoras. Die horizontale Differenz (x2x1)(x_2 - x_1) und die vertikale Differenz (y2y1)(y_2 - y_1) bilden die Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks. Der gesuchte Abstand ist die Hypotenuse.

Beim Abstand Punkt–Gerade sieht es anders aus. Hier gibt es unendlich viele mögliche Verbindungen. Nur eine davon ist die kürzeste: das Lot.

Warum ist das Lot der kürzeste Weg? Jede andere Verbindung bildet mit dem Lot ein rechtwinkliges Dreieck. Das Lot ist eine Kathete, die andere Verbindung ist die Hypotenuse. Die Hypotenuse ist immer länger als jede Kathete. Das Lot gewinnt also immer.

Beispiel:

Die Punkte A(21)A(2|1) und B(55)B(5|5) sind im Koordinatensystem gegeben.

Aufgabe: Berechne den Abstand d(A,B)d(A, B).

Lösung:

Wende die Abstandsformel an:

d(A,B)=(x2x1)2+(y2y1)2d(A, B) = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}

Setze die Koordinaten ein:

d(A,B)=(52)2+(51)2d(A, B) = \sqrt{(5-2)^2 + (5-1)^2}d(A,B)=32+42=9+16=25=5d(A, B) = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

Der Abstand beträgt 55 Längeneinheiten. Du hast ein rechtwinkliges Dreieck mit Katheten 33 und 44 aufgespannt. Die Hypotenuse ist der Abstand.

Beispiel:

Der Punkt P(47)P(4|7) liegt oberhalb der horizontalen Geraden gg mit der Gleichung y=3y = 3.

Aufgabe: Bestimme den Abstand d(P,g)d(P, g) und gib den Fusspunkt FF an.

Lösung:

Zuerst überlegst du dir die Geometrie. Die Gerade gg ist horizontal. Also verläuft sie waagrecht. Das Lot von PP auf gg steht senkrecht dazu, also vertikal.

Der Fusspunkt FF hat dieselbe xx-Koordinate wie PP. Denn das Lot geht gerade nach unten. Die yy-Koordinate des Fusspunkts entspricht der Geradengleichung:

F(43)F(4|3)

Der Abstand ist die Differenz der yy-Werte:

d(P,g)=yPyg=73=4d(P, g) = |y_P - y_g| = |7 - 3| = 4

Der Abstand beträgt 44 Längeneinheiten. Bei horizontalen oder vertikalen Geraden ist der Abstand also sehr einfach zu bestimmen. Du liest die Differenz direkt aus den Koordinaten ab.

Beim Thema Abstände gibt es einige typische Fehler. Wenn du sie kennst, kannst du sie vermeiden.

Beispiel:

Zwei parallele Geraden sind gegeben. Die Gerade gg hat die Gleichung y=2y = 2. Die Gerade hh hat die Gleichung y=9y = 9.

Aufgabe: Bestimme den Abstand d(g,h)d(g, h).

Lösung:

Beide Geraden sind horizontal. Sie verlaufen waagrecht. Zwischen ihnen ist der Abstand überall gleich. Das ist die Konstanz des Parallelenabstands.

Wähle einen beliebigen Punkt auf gg, zum Beispiel P(02)P(0|2). Fälle das Lot von PP auf hh. Das Lot steht senkrecht auf hh, also vertikal. Der Fusspunkt ist:

F(09)F(0|9)

Die Länge des Lots ist:

d(g,h)=92=7d(g, h) = |9 - 2| = 7

Der Abstand beträgt 77 Längeneinheiten. Bei zwei parallelen horizontalen Geraden nimmst du einfach die Differenz der yy-Werte. Bei vertikalen Parallelen nutzt du die xx-Werte.

Wichtig: Nicht parallele Geraden schneiden sich. Dort hat ein Abstand keinen festen Wert.

Beispiel:

Ein Haus steht bei Punkt H(38)H(3|8). Eine gerade Strasse verläuft entlang der xx-Achse. Die Strassengleichung lautet y=0y = 0.

Aufgabe: Wie lang ist der kürzeste Fussweg vom Haus zur Strasse? Wo triffst du auf die Strasse?

Lösung:

Die Strasse ist horizontal. Das Lot vom Haus zur Strasse verläuft vertikal, also senkrecht nach unten. Du musst keine schräge Abkürzung nehmen. Der senkrechte Weg ist immer der kürzeste.

Der Fusspunkt FF hat dieselbe xx-Koordinate wie HH. Die yy-Koordinate ist 00:

F(30)F(3|0)

Du triffst die Strasse also beim Punkt mit x=3x = 3.

Die Länge des Lots berechnest du als Differenz der yy-Werte:

d(H,Strasse)=80=8d(H, \text{Strasse}) = |8 - 0| = 8

Der kürzeste Weg ist 88 Längeneinheiten lang. Diese Überlegung nutzt du auch in der Praxis: Beim Bauen eines Gartenwegs zur Strasse wählt man den senkrechten Weg. So spart man Material und Zeit.

Die Abstandsformel lässt sich nicht nur für zwei Punkte in der Ebene verwenden. Sie funktioniert auch im dreidimensionalen Raum. Dort kommt eine dritte Koordinate zz dazu.

Ein weiteres spannendes Konzept ist der Ortsbegriff. Alle Punkte, die von einem festen Punkt MM denselben Abstand rr haben, bilden einen Kreis (in der Ebene) oder eine Kugel (im Raum). Der Radius rr ist also ein fester Abstand. Das ist die Grundlage aller Kreis- und Kugelkonstruktionen.

Alle Punkte, die von zwei festen Punkten AA und BB denselben Abstand haben, bilden eine Mittelsenkrechte der Strecke AB\overline{AB}. Die Mittelsenkrechte steht senkrecht auf der Strecke und geht durch deren Mittelpunkt. Sie ist ein zentraler Baustein vieler Konstruktionen, zum Beispiel beim Umkreis eines Dreiecks.

Alle Punkte, die von zwei sich schneidenden Geraden denselben Abstand haben, liegen auf der Winkelhalbierenden. Dieses Konzept verbindet Abstand und Winkel auf elegante Weise.

In modernen Anwendungen spielt der Abstand eine Schlüsselrolle. GPS berechnet deine Position aus Abständen zu Satelliten. Grafikprogramme sortieren Objekte nach Abstand zur Kamera, um Vordergrund und Hintergrund richtig darzustellen. Selbstfahrende Autos messen laufend Abstände zu anderen Fahrzeugen, Fussgängern und Hindernissen. Hinter all dem steckt dieselbe einfache Idee aus deinem Matheunterricht.

Beispiel:

In einem Raum sind zwei Punkte gegeben: Eine Lampe hängt bei L(235)L(2|3|5) an der Decke. Ein Tischchen steht bei T(661)T(6|6|1) am Boden.

Aufgabe: Berechne den Abstand zwischen Lampe und Tischchen.

Lösung:

Verwende die 3D-Abstandsformel:

d(L,T)=(xTxL)2+(yTyL)2+(zTzL)2d(L, T) = \sqrt{(x_T - x_L)^2 + (y_T - y_L)^2 + (z_T - z_L)^2}

Setze die Werte ein:

d(L,T)=(62)2+(63)2+(15)2d(L, T) = \sqrt{(6-2)^2 + (6-3)^2 + (1-5)^2}

Rechne die Differenzen aus:

d(L,T)=42+32+(4)2d(L, T) = \sqrt{4^2 + 3^2 + (-4)^2}d(L,T)=16+9+16=41d(L, T) = \sqrt{16 + 9 + 16} = \sqrt{41}

Der exakte Abstand ist 41\sqrt{41} Längeneinheiten. Gerundet sind das etwa 6,406{,}40 Längeneinheiten. Die Formel bleibt also genau gleich wie in der Ebene. Du addierst einfach ein drittes Quadrat unter der Wurzel.

Bearbeite die folgenden Aufgaben der Reihe nach. Sie sind nach Schwierigkeit aufsteigend sortiert. Die Lösungen findest du am Ende des Artikels.

Aufgabe 1: Berechne den Abstand zwischen A(00)A(0|0) und B(68)B(6|8).

Aufgabe 2: Bestimme den Abstand der Punkte P(32)P(3|2) und Q(310)Q(3|10).

Aufgabe 3: Die Gerade gg hat die Gleichung y=1y = 1. Wie gross ist der Abstand des Punkts R(46)R(4|6) von gg?

Aufgabe 4: Zwei parallele horizontale Geraden sind g:y=2g: y = -2 und h:y=5h: y = 5. Bestimme d(g,h)d(g, h).

Aufgabe 5: Berechne den Abstand der Punkte C(23)C(-2|3) und D(45)D(4|-5).

Aufgabe 6: Die Gerade gg ist die yy-Achse, also x=0x = 0. Wie gross ist der Abstand von S(73)S(7|3) zu gg?

Aufgabe 7: Zwei vertikale Parallelen sind g:x=3g: x = -3 und h:x=4h: x = 4. Berechne den Abstand.

Aufgabe 8: Ein Flughafen liegt bei F(102)F(10|2). Eine gerade Autobahn verläuft entlang der Geraden y=12y = 12. Wie lang ist der kürzeste Weg zur Autobahn?

Aufgabe 9: Berechne den Abstand der Punkte im 3D-Raum: A(123)A(1|2|3) und B(463)B(4|6|3).

Aufgabe 10: Drei Punkte bilden ein Dreieck: A(00)A(0|0), B(60)B(6|0) und C(34)C(3|4). Berechne alle drei Seitenlängen und prüfe, ob das Dreieck gleichschenklig ist.

Der Abstand ist die kürzeste Verbindung zwischen zwei Objekten. Bei zwei Punkten ist das die Strecke dazwischen. Die Abstandsformel folgt aus dem Satz des Pythagoras.

Beim Abstand zwischen Punkt und Gerade nutzt du das Lot. Das Lot steht senkrecht auf der Geraden. Der Fusspunkt liegt auf der Geraden. Die Länge des Lots ist der gesuchte Abstand.

Bei parallelen Geraden ist der Abstand überall gleich. Du kannst ihn an jeder Stelle messen. Bei horizontalen oder vertikalen Parallelen genügt die Differenz der Koordinaten.

Die Abstandsformel gilt auch im 3D-Raum. Du fügst einfach das Quadrat der zz-Differenz hinzu. So berechnen Computer, Roboter und GPS-Systeme Entfernungen in der echten Welt.

❓ Frage:
Wie heisst der Punkt, an dem das Lot auf die Gerade trifft?
Lösung anzeigen
Der Fusspunkt. Er liegt immer auf der Geraden und markiert das Ende des Lots.
❓ Frage:
Die Punkte A(12)A(1|2) und B(17)B(1|7) haben dieselbe xx-Koordinate. Wie gross ist ihr Abstand?
Lösung anzeigen
Da die xx-Koordinaten gleich sind, ist der Abstand 72=5|7 - 2| = 5 Längeneinheiten.
❓ Frage:
Zwei parallele Geraden haben an einer Stelle den Abstand 6cm6 \, \text{cm}. Wie gross ist ihr Abstand an einer anderen Stelle?
Lösung anzeigen
Ebenfalls 6cm6 \, \text{cm}. Der Abstand zwischen Parallelen ist überall gleich (konstant).
❓ Frage:
Auf welchem mathematischen Satz basiert die Abstandsformel im Koordinatensystem?
Lösung anzeigen
Auf dem Satz des Pythagoras: a2+b2=c2a^2 + b^2 = c^2. Die Koordinatendifferenzen sind die Katheten, der Abstand ist die Hypotenuse.
❓ Frage:
Was ist der Abstand zwischen dem Punkt P(55)P(5|5) und dem Punkt P(55)P(5|5)?
Lösung anzeigen
Der Abstand ist 00. Es handelt sich um denselben Punkt. Ein Abstand von 00 bedeutet, dass die Objekte identisch sind oder sich berühren.

Abstände sind ein Tor zu vielen weiteren Themen. Im nächsten Schritt lernst du, wie die Mittelsenkrechte als Ort aller Punkte mit gleichem Abstand zu zwei gegebenen Punkten funktioniert. Danach geht es zum Kreis, dessen Radius ein fester Abstand zum Mittelpunkt ist. Später nutzt du Abstände bei Dreieckskonstruktionen, bei der Berechnung von Flächen und beim Satz des Pythagoras. In höheren Klassen kommen Vektoren dazu, mit denen du Abstände noch flexibler berechnest.

Lösung Aufgabe 1:

d(A,B)=(60)2+(80)2=36+64=100=10d(A, B) = \sqrt{(6-0)^2 + (8-0)^2} = \sqrt{36 + 64} = \sqrt{100} = 10

Der Abstand beträgt 1010 Längeneinheiten. Dies ist das bekannte 66-88-1010-Dreieck.

Lösung Aufgabe 2:

Die xx-Koordinaten sind gleich, also x=3x = 3. Der Abstand ist die Differenz der yy-Werte:

d(P,Q)=102=8d(P, Q) = |10 - 2| = 8

Der Abstand beträgt 88 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 3:

Die Gerade y=1y = 1 ist horizontal. Das Lot steht vertikal. Der Fusspunkt ist F(41)F(4|1).

d(R,g)=61=5d(R, g) = |6 - 1| = 5

Der Abstand beträgt 55 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 4:

Beide Geraden sind horizontal. Der Abstand ist die Differenz der yy-Werte:

d(g,h)=5(2)=5+2=7d(g, h) = |5 - (-2)| = |5 + 2| = 7

Der Abstand beträgt 77 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 5:

Setze in die Abstandsformel ein:

d(C,D)=(4(2))2+(53)2d(C, D) = \sqrt{(4-(-2))^2 + (-5-3)^2} d(C,D)=62+(8)2=36+64=100=10d(C, D) = \sqrt{6^2 + (-8)^2} = \sqrt{36 + 64} = \sqrt{100} = 10

Der Abstand beträgt 1010 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 6:

Die yy-Achse ist die Gerade x=0x = 0. Sie ist vertikal. Das Lot steht horizontal. Der Fusspunkt ist F(03)F(0|3).

d(S,g)=70=7d(S, g) = |7 - 0| = 7

Der Abstand beträgt 77 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 7:

Beide Geraden sind vertikal. Der Abstand ist die Differenz der xx-Werte:

d(g,h)=4(3)=4+3=7d(g, h) = |4 - (-3)| = |4 + 3| = 7

Der Abstand beträgt 77 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 8:

Die Autobahn ist horizontal (y=12y = 12). Das Lot vom Flughafen verläuft senkrecht. Der Fusspunkt ist F(1012)F(10|12).

d(F,Autobahn)=122=10d(F, \text{Autobahn}) = |12 - 2| = 10

Der kürzeste Weg beträgt 1010 Längeneinheiten.

Lösung Aufgabe 9:

Verwende die 3D-Abstandsformel:

d(A,B)=(41)2+(62)2+(33)2d(A, B) = \sqrt{(4-1)^2 + (6-2)^2 + (3-3)^2} d(A,B)=9+16+0=25=5d(A, B) = \sqrt{9 + 16 + 0} = \sqrt{25} = 5

Der Abstand beträgt 55 Längeneinheiten. Da die zz-Werte gleich sind, liegt der Fall effektiv wieder in einer Ebene.

Lösung Aufgabe 10:

Berechne die drei Seitenlängen einzeln.

Seite AB\overline{AB}:

d(A,B)=(60)2+(00)2=36=6d(A, B) = \sqrt{(6-0)^2 + (0-0)^2} = \sqrt{36} = 6

Seite BC\overline{BC}:

d(B,C)=(36)2+(40)2=9+16=25=5d(B, C) = \sqrt{(3-6)^2 + (4-0)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

Seite AC\overline{AC}:

d(A,C)=(30)2+(40)2=9+16=25=5d(A, C) = \sqrt{(3-0)^2 + (4-0)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5

Die Seiten BC\overline{BC} und AC\overline{AC} sind beide 55 Längeneinheiten lang. Das Dreieck ist also gleichschenklig. Die Seite AB\overline{AB} mit 66 Längeneinheiten ist die Basis.

Quellen