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Koordinatengeometrie: Abstandsformel und Teilungspunkt

Jeder Punkt in einer Ebene hat eine Adresse (x, y). Der Abstand zwischen A(x₁, y₁) und B(x₂, y₂) ist d = √[(x₂ − x₁)² + (y₂ − y₁)²]; das ist einfach Pythagoras mit dem x-Unterschied und dem y-Unterschied. Ein Punkt P, der die Strecke AB innen im Verhältnis m : n teilt, ist P = ((mx₂ + nx₁)/(m + n), (my₂ + ny₁)/(m + n)). Bei m = n ist P der Mittelpunkt.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Hier ist ein Gitter mit zwei Punkten, A(1, 1) und B(4, 5). Wir wollen wissen, wie weit sie voneinander entfernt sind.
  2. Geh zuerst von A aus geradeaus nach rechts. Zähle die blauen Quadrate: 4 − 1 = 3. Das ist der x-Unterschied.
  3. Geh jetzt gerade nach oben bis zu B. Zähle die grünen Quadrate: 5 − 1 = 4. Das ist der y-Unterschied. Die beiden Wege bilden einen rechten Winkel.
  4. Die schräge Linie AB ist die lange Seite eines rechtwinkligen Dreiecks. Nach Pythagoras gilt AB = √(3² + 4²) = √25 = 5. Das ist die Abstandsformel.
  5. Jetzt wandert B nach (7, 4). Wir teilen AB in 2 + 1 = 3 gleiche Stücke. P liegt 2 Stücke von A und 1 Stück von B entfernt, also teilt P die Strecke AB im Verhältnis 2 : 1. P = (5, 3).
  6. Freies Spiel: Bewege B mit den Reglern und ändere m und n. Der Abstand und der Punkt P unter dem Gitter ändern sich mit.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum subtrahieren wir die Koordinaten?

Das Subtrahieren sagt uns, wie viele Quadrate die Punkte auseinanderliegen. Die blauen Kacheln im 3D sind genau x₂ − x₁.

Was ist, wenn der Unterschied negativ herauskommt?

Ein negativer Unterschied heißt nur, dass du nach links oder unten gehst. Beim Quadrieren verschwindet das Vorzeichen, der Abstand ist also immer positiv.

Woher kommt die Wurzel?

Pythagoras liefert AB² = Unterschied² + Unterschied². Um AB selbst zu bekommen, nicht AB², ziehst du die Wurzel. Sieh in Schritt 3, wie die lila Linie zu 5 wird.

Warum gehört m zu x₂ und nicht zu x₁?

P ist m Stücke von A entfernt, es neigt sich also m Teile zu B hin. Je größer m ist, desto näher kommt P an B, also muss m die Koordinate von B multiplizieren.

Ist der Mittelpunkt einfach die Teilungsformel?

Ja. Setze im letzten Schritt m = n = 1: P sitzt genau in der Mitte und die Formel wird zum Durchschnitt.

Ändert sich der Abstand, wenn ich A und B vertausche?

Nein. (x₁ − x₂)² ist dasselbe wie (x₂ − x₁)². Bewege B im freien Spiel um A herum: Der Abstand hängt nur von den Unterschieden ab.

Punkte haben eine Adresse: (x, y)

Zeichne zwei Zahlengeraden, die sich im rechten Winkel kreuzen. Die liegende ist die x-Achse. Die stehende ist die y-Achse. Sie treffen sich im Ursprung O(0, 0).

Jeder Punkt hat zwei Zahlen. Die erste Zahl (x, die Abszisse) sagt, wie weit man nach rechts oder links geht. Die zweite Zahl (y, die Ordinate) sagt, wie weit man nach oben oder unten geht. (3, 2) bedeutet also: 3 nach rechts, dann 2 nach oben.

Abstandsformel

Nimm A(x₁, y₁) und B(x₂, y₂). Geh von A geradeaus, bis du unter B stehst. Dieser Weg ist der x-Unterschied, x₂ − x₁. Dann geh gerade nach oben bis B. Dieser Weg ist der y-Unterschied, y₂ − y₁. Die beiden Wege treffen sich im rechten Winkel, also ist AB die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks.

Nach Pythagoras: AB = √[(x₂ − x₁)² + (y₂ − y₁)²].

Ein negativer Unterschied ist egal, denn Quadrieren macht ihn positiv. Der Abstand von P(x, y) zum Ursprung ist √(x² + y²).

Die Abstandsformel anwenden

Teilungsformel (innere Teilung)

Ein Punkt P liegt auf der Strecke AB, zwischen A und B. Wenn AP : PB = m : n gilt, sagen wir: P teilt AB innen im Verhältnis m : n.

Stell dir vor, AB ist in m + n gleiche Stücke geschnitten. P ist m Stücke von A entfernt. P legt also m/(m + n) des Weges von A nach B zurück. Daraus folgt

P = ( (m·x₂ + n·x₁)/(m + n) , (m·y₂ + n·y₁)/(m + n) )

Warum das stimmt: Zeichne kleine rechtwinklige Dreiecke unter AP und PB. Sie haben dieselben Winkel, sind also ähnlich, und ihre Unterschiede stehen im Verhältnis m : n. (Siehe Ähnliche Dreiecke.)

Mittelpunktsformel

Bei m = n ist P der Mittelpunkt: ((x₁ + x₂)/2, (y₁ + y₂)/2). Du nimmst einfach den Durchschnitt der x-Werte und der y-Werte.

Das Verhältnis finden

Ist das Verhältnis unbekannt, nenne es k : 1. Setze es in die Formel ein, vergleiche mit dem gegebenen x (oder y) und löse nach k. Um zu finden, wo die x-Achse AB schneidet, setze y = 0.

Drittelungspunkte

Zwei Punkte teilen AB in drei gleiche Teile. Sie teilen AB im Verhältnis 1 : 2 und 2 : 1.

Probier es selbst aus (Praxis)

Zu Hause: Klebe auf einen Fliesenboden zwei Linien als x- und y-Achse. Stell dich auf die Fliese (1, 1). Lege einen Hausschuh auf die Fliese (4, 5). Zähle 3 Fliesen nach rechts und 4 Fliesen nach oben. Spanne nun eine Schnur gerade von dir zum Hausschuh und miss sie in Fliesenbreiten: Es sind 5. Du hast gerade die Abstandsformel überprüft.

Im 3D: Geh zum letzten Schritt. Stelle B auf (7, 1) und m : n auf 1 : 1. Sag P voraus, bevor du hinschaust. (Antwort: (4, 1), der Mittelpunkt.)

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Berechne den Abstand zwischen A(1, 1) und B(4, 5).

x-Unterschied = 4 − 1 = 3. y-Unterschied = 5 − 1 = 4. AB = √(3² + 4²) = √(9 + 16) = √25 = 5 Einheiten.

2. Berechne den Abstand des Punktes P(−6, 8) vom Ursprung.

OP = √[(−6)² + 8²] = √(36 + 64) = √100 = 10 Einheiten.

3. Berechne den Mittelpunkt von A(2, −3) und B(6, 7).

x = (2 + 6)/2 = 4. y = (−3 + 7)/2 = 2. Mittelpunkt = (4, 2).

4. Berechne den Punkt, der die Strecke zwischen A(1, 1) und B(7, 4) innen im Verhältnis 2 : 1 teilt.

m = 2, n = 1. x = (2×7 + 1×1)/3 = 15/3 = 5. y = (2×4 + 1×1)/3 = 9/3 = 3. P = (5, 3).

5. Liegen die Punkte A(1, 2), B(3, 6) und C(4, 8) auf einer Geraden?

AB = √(4 + 16) = √20 = 2√5. BC = √(1 + 4) = √5. AC = √(9 + 36) = √45 = 3√5. AB + BC = 2√5 + √5 = 3√5 = AC. Also ja, sie sind kollinear.

6. Finde den Punkt auf der x-Achse, der von A(2, −5) und B(−2, 9) gleich weit entfernt ist.

Der Punkt ist P(x, 0). PA² = PB²: (x − 2)² + 25 = (x + 2)² + 81. x² − 4x + 4 + 25 = x² + 4x + 4 + 81. −8x = 56, also x = −7. P = (−7, 0).

7. In welchem Verhältnis teilt der Punkt (−1, 6) die Strecke zwischen A(−3, 10) und B(6, −8)?

Nimm das Verhältnis k : 1. x = (6k − 3)/(k + 1) = −1. Also 6k − 3 = −k − 1, 7k = 2, k = 2/7. Verhältnis = 2 : 7. Probe mit y: (−8×2 + 10×7)/9 = 54/9 = 6 ✓.

8. Finde die Drittelungspunkte der Strecke zwischen A(2, −2) und B(−7, 4).

P teilt AB im Verhältnis 1 : 2: P = ((−7 + 4)/3, (4 − 4)/3) = (−1, 0). Q teilt AB im Verhältnis 2 : 1: Q = ((−14 + 2)/3, (8 − 2)/3) = (−4, 2).

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Der Abstand zwischen (0, 0) und (3, 4) ist:
2. Der Mittelpunkt von (2, 4) und (6, 8) ist:
3. In der Teilungsformel teilt der Punkt P die Strecke AB innen im Verhältnis m : n. Die x-Koordinate von P ist:
4. Der Abstand von (−5, 12) vom Ursprung ist:
5. Die x-Achse teilt die Strecke zwischen A(2, −3) und B(5, 6) im Verhältnis:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Abstandsformel in einfachen Worten?

Finde heraus, wie weit die Punkte nach rechts (x-Unterschied) und nach oben (y-Unterschied) auseinanderliegen. Quadriere beide, addiere sie und ziehe die Wurzel. Es ist Pythagoras auf einem Gitter.

Was ist der Unterschied zwischen der Teilungsformel und der Mittelpunktsformel?

Die Teilungsformel findet einen Punkt, der eine Strecke in einem beliebigen Verhältnis m : n teilt. Die Mittelpunktsformel ist der Sonderfall m = n = 1, sie bildet also nur den Durchschnitt der Koordinaten.

Wie viele Punkte bringt Koordinatengeometrie in der indischen CBSE-Prüfung der Klasse 10?

Die Einheit Koordinatengeometrie bringt in der CBSE-Mathematikprüfung (Standard) der Klasse 10 etwa 6 Punkte. Aufgaben zur Abstands- und Teilungsformel kommen fast jedes Jahr dran.

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