Geraden im Raum einfach erklärt: So navigierst du durch die 3D-Geometrie

Stell dir vor, du beobachtest eine Drohne, die schnurgerade durch die Luft fliegt. Sie startet von einem bestimmten Punkt aus – vielleicht vom Dach eines Hauses – und bewegt sich dann in eine ganz bestimmte Richtung. Um jemandem diese Flugroute zu beschreiben, brauchst du zwei Informationen: Wo startet die Drohne? Und in welche Richtung fliegt sie?

Genau so funktioniert auch die mathematische Beschreibung von Geraden im dreidimensionalen Raum. In diesem Kapitel lernst du, wie du Geraden im Raum mit Vektoren beschreibst, wie du prüfst, ob ein Punkt auf einer Geraden liegt, und wie du die Gleichung einer Geraden aufstellst.

Von der Flugroute zur Geradengleichung

Kehren wir zur Drohne zurück. Angenommen, sie startet vom Punkt $A(2 \mid 3 \mid 5)$ – das sind die Koordinaten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit $x$-, $y$- und $z$-Achse. Die Drohne fliegt dann in eine bestimmte Richtung, zum Beispiel immer 1 Meter nach rechts, 2 Meter nach vorne und 1 Meter nach oben pro Sekunde.

Diese Richtung können wir als Vektor schreiben:

$\vec{v} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$

Nach einer Sekunde befindet sich die Drohne bei $(2+1 \mid 3+2 \mid 5+1) = (3 \mid 5 \mid 6)$. Nach zwei Sekunden bei $(4 \mid 7 \mid 7)$. Nach einer halben Sekunde bei $(2{,}5 \mid 4 \mid 5{,}5)$.

Wir können jeden Punkt auf der Flugroute berechnen, indem wir den Startpunkt nehmen und ein Vielfaches des Richtungsvektors addieren. Dieses Vielfache nennen wir Parameter und bezeichnen es meist mit $t$.

Die Parameterdarstellung einer Geraden

Die Parameterdarstellung ist das zentrale Werkzeug, um Geraden im Raum zu beschreiben. Sie besteht aus drei Elementen:

1. Stützvektor $\vec{a}$: Der Ortsvektor eines Punktes, der auf der Geraden liegt (der “Startpunkt”)
2. Richtungsvektor $\vec{v}$: Gibt die Richtung der Geraden an
3. Parameter $t$: Eine reelle Zahl, die bestimmt, wie weit wir entlang der Geraden gehen

So setzt du eine Geradengleichung zusammen:

1. Wähle einen Punkt $A$ auf der Geraden. Sein Ortsvektor $\vec{a}$ wird der Stützvektor.
2. Bestimme den Richtungsvektor $\vec{v}$, der die Richtung der Geraden angibt.
3. Schreibe die Gleichung: $g: \vec{x} = \vec{a} + t \cdot \vec{v}$ mit $t \in \mathbb{R}$.

DEFINITION

Eine Gerade $g$ im dreidimensionalen Raum wird durch die Parameterdarstellung beschrieben:

$g: \vec{x} = \vec{a} + t \cdot \vec{v} \quad \text{mit } t \in \mathbb{R}$

Dabei ist $\vec{a}$ der Stützvektor (Ortsvektor eines Punktes auf der Geraden), $\vec{v} \neq \vec{0}$ der Richtungsvektor und $t$ der Parameter.

Für jeden Wert von $t$ erhält man den Ortsvektor eines anderen Punktes auf der Geraden.

Der Richtungsvektor: Woher kommt er?

Den Richtungsvektor kannst du auf verschiedene Arten bestimmen. Die häufigste Methode: Du hast zwei Punkte $A$ und $B$ auf der Geraden gegeben. Der Richtungsvektor ist dann einfach der Verbindungsvektor von $A$ nach $B$:

$\vec{v} = \overrightarrow{AB} = \vec{b} - \vec{a} = \begin{pmatrix} b_1 - a_1 \\ b_2 - a_2 \\ b_3 - a_3 \end{pmatrix}$

Wichtig: Der Richtungsvektor darf nicht der Nullvektor sein. Sonst hätten wir keine Richtung und damit keine Gerade, sondern nur einen Punkt.

Häufige Fehler und wie du sie vermeidest

Fehler 1: Stützvektor und Richtungsvektor verwechseln

Der Stützvektor $\vec{a}$ ist der Ortsvektor eines konkreten Punktes auf der Geraden. Der Richtungsvektor $\vec{v}$ gibt nur die Richtung an, nicht eine Position. Wenn du zwei Punkte $A$ und $B$ hast, ist $\vec{a}$ der Ortsvektor von $A$ (oder $B$), während $\vec{v} = \vec{b} - \vec{a}$ der Verbindungsvektor ist.

Fehler 2: Den Parameter vergessen oder falsch einsetzen

Bei der Punktprobe musst du prüfen, ob es ein $t$ gibt, das alle drei Gleichungen gleichzeitig erfüllt. Wenn du für jede Koordinate ein anderes $t$ herausbekommst, liegt der Punkt nicht auf der Geraden.

Fehler 3: Vielfache des Richtungsvektors für verschiedene Geraden halten

Die Geraden mit $\vec{v} = \begin{pmatrix} 2 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$ und $\vec{v} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$ haben dieselbe Richtung! Der zweite Vektor ist einfach das 0,5-fache des ersten. Geraden mit demselben Stützvektor und parallelen Richtungsvektoren sind identisch.

Liegt ein Punkt auf der Geraden? Die Punktprobe

Eine zentrale Aufgabe in der analytischen Geometrie: Prüfen, ob ein gegebener Punkt auf einer Geraden liegt. Dazu führst du eine Punktprobe durch.

Das Vorgehen ist systematisch:

1. Setze den Ortsvektor des Punktes für $\vec{x}$ in die Geradengleichung ein.
2. Löse jede der drei Koordinatengleichungen nach $t$ auf.
3. Prüfe, ob du für alle drei Gleichungen denselben Wert für $t$ erhältst.

Wenn ja, liegt der Punkt auf der Geraden. Wenn nein, liegt er nicht darauf.

Beispiele

Beispiel 1: Geradengleichung aus zwei Punkten aufstellen

Aufgabe: Stelle die Geradengleichung für die Gerade durch $A(1 \mid 2 \mid 3)$ und $B(4 \mid 6 \mid 5)$ auf.

Lösung:

Schritt 1: Wähle einen Stützvektor. Wir nehmen den Ortsvektor von $A$:

$\vec{a} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}$

Schritt 2: Berechne den Richtungsvektor als Verbindungsvektor von $A$ nach $B$:

$\vec{v} = \vec{b} - \vec{a} = \begin{pmatrix} 4 \\ 6 \\ 5 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$

Schritt 3: Schreibe die Geradengleichung:

$g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix} \quad \text{mit } t \in \mathbb{R}$

Beispiel 2: Punktprobe – Liegt der Punkt auf der Geraden?

Aufgabe: Prüfe, ob der Punkt $P(7 \mid 10 \mid 7)$ auf der Geraden $g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$ liegt.

Lösung:

Schritt 1: Setze den Ortsvektor von $P$ für $\vec{x}$ ein:

$\begin{pmatrix} 7 \\ 10 \\ 7 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$

Schritt 2: Löse jede Koordinatengleichung nach $t$ auf:

• $x$-Koordinate: $7 = 1 + 3t \Rightarrow 6 = 3t \Rightarrow t = 2$
• $y$-Koordinate: $10 = 2 + 4t \Rightarrow 8 = 4t \Rightarrow t = 2$
• $z$-Koordinate: $7 = 3 + 2t \Rightarrow 4 = 2t \Rightarrow t = 2$

Schritt 3: Prüfe, ob alle $t$-Werte übereinstimmen.

Ja, alle drei Gleichungen liefern $t = 2$.

Antwort: Der Punkt $P(7 \mid 10 \mid 7)$ liegt auf der Geraden $g$.

Beispiel 3: Punktprobe – Punkt liegt nicht auf der Geraden

Aufgabe: Prüfe, ob der Punkt $Q(5 \mid 7 \mid 6)$ auf der Geraden $g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$ liegt.

Lösung:

Schritt 1: Setze den Ortsvektor von $Q$ ein:

$\begin{pmatrix} 5 \\ 7 \\ 6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$

Schritt 2: Löse jede Koordinatengleichung nach $t$ auf:

• $x$-Koordinate: $5 = 1 + 3t \Rightarrow 4 = 3t \Rightarrow t = \frac{4}{3}$
• $y$-Koordinate: $7 = 2 + 4t \Rightarrow 5 = 4t \Rightarrow t = \frac{5}{4}$
• $z$-Koordinate: $6 = 3 + 2t \Rightarrow 3 = 2t \Rightarrow t = \frac{3}{2}$

Schritt 3: Prüfe, ob alle $t$-Werte übereinstimmen.

Nein: $\frac{4}{3} \neq \frac{5}{4} \neq \frac{3}{2}$

Antwort: Der Punkt $Q(5 \mid 7 \mid 6)$ liegt nicht auf der Geraden $g$.

Beispiel 4: Punkte auf einer Geraden berechnen

Aufgabe: Gegeben ist die Gerade $h: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ -1 \end{pmatrix}$. Berechne die Punkte für $t = 0$, $t = 1$ und $t = -2$.

Lösung:

Für $t = 0$:

$\vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} + 0 \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix}$

Punkt: $P_0(0 \mid -1 \mid 4)$

Für $t = 1$:

$\vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} + 1 \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 + 2 \\ -1 + 3 \\ 4 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}$

Punkt: $P_1(2 \mid 2 \mid 3)$

Für $t = -2$:

$\vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} + (-2) \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 - 4 \\ -1 - 6 \\ 4 + 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -4 \\ -7 \\ 6 \end{pmatrix}$

Punkt: $P_{-2}(-4 \mid -7 \mid 6)$

Verschiedene Darstellungen derselben Geraden

Eine wichtige Erkenntnis: Dieselbe Gerade kann unendlich viele verschiedene Parameterdarstellungen haben! Das liegt daran, dass du:

• Jeden Punkt auf der Geraden als Stützpunkt wählen kannst
• Jedes Vielfache des Richtungsvektors als neuen Richtungsvektor verwenden kannst

Die Gerade $g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}$ beschreibt dieselbe Gerade wie:

$g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 4 \\ 6 \\ 5 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 6 \\ 8 \\ 4 \end{pmatrix}$

Hier haben wir den Punkt $(4 \mid 6 \mid 5)$ als neuen Stützpunkt gewählt (das ist der Punkt für $t = 1$ in der ursprünglichen Darstellung) und den Richtungsvektor verdoppelt.

Das Wichtigste in Kürze

• Eine Gerade im Raum wird durch die Parameterdarstellung $g: \vec{x} = \vec{a} + t \cdot \vec{v}$ beschrieben.
• Der Stützvektor $\vec{a}$ ist der Ortsvektor eines Punktes auf der Geraden; der Richtungsvektor $\vec{v}$ gibt die Richtung an.
• Den Richtungsvektor erhältst du aus zwei Punkten $A$ und $B$ durch $\vec{v} = \vec{b} - \vec{a}$.
• Bei der Punktprobe setzt du den Punkt in die Geradengleichung ein und prüfst, ob alle drei Koordinaten denselben Wert für $t$ liefern.
• Dieselbe Gerade kann durch verschiedene Parameterdarstellungen beschrieben werden.

Dein Wissen im Test

❓ Frage: Wie lautet die Geradengleichung durch die Punkte $A(2 \mid 0 \mid 1)$ und $B(5 \mid 3 \mid 4)$?

Lösung anzeigen

Der Stützvektor ist $\vec{a} = \begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}$.

Der Richtungsvektor ist $\vec{v} = \vec{b} - \vec{a} = \begin{pmatrix} 5-2 \\ 3-0 \\ 4-1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \\ 3 \end{pmatrix}$.

Die Geradengleichung lautet:

$g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \\ 3 \end{pmatrix}$

Alternativ kann der Richtungsvektor auch als $\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}$ geschrieben werden (Vielfache sind erlaubt).

❓ Frage: Liegt der Punkt $R(8 \mid 6 \mid 7)$ auf der Geraden $g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \\ 3 \end{pmatrix}$?

Lösung anzeigen

Wir führen die Punktprobe durch:

• $x$: $8 = 2 + 3t \Rightarrow t = 2$
• $y$: $6 = 0 + 3t \Rightarrow t = 2$
• $z$: $7 = 1 + 3t \Rightarrow t = 2$

Alle drei Gleichungen liefern $t = 2$.

Ja, der Punkt $R$ liegt auf der Geraden $g$.

❓ Frage: Welcher Punkt liegt auf der Geraden $h: \vec{x} = \begin{pmatrix} -1 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix} + t \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}$ für $t = 3$?

Lösung anzeigen

Wir setzen $t = 3$ in die Geradengleichung ein:

$\vec{x} = \begin{pmatrix} -1 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix} + 3 \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 + 6 \\ 4 - 3 \\ 2 + 9 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 5 \\ 1 \\ 11 \end{pmatrix}$

Der Punkt lautet $P(5 \mid 1 \mid 11)$.

Ausblick: Was kommt als Nächstes?

Du kannst jetzt Geraden im Raum beschreiben und Punktproben durchführen. Doch was passiert, wenn zwei Geraden im Raum aufeinandertreffen? Im nächsten Kapitel untersuchst du die Lagebeziehungen von Geraden: Schneiden sie sich? Sind sie parallel? Oder verlaufen sie windschief aneinander vorbei – eine Möglichkeit, die es nur im dreidimensionalen Raum gibt!

Ausserdem lernst du, wie du den Schnittpunkt zweier Geraden berechnest und wie du mit Ebenen im Raum arbeitest – dem nächsten grossen Baustein der analytischen Geometrie.